新一代離子交換膜：限域離子膜  NSR

新一代離子交換膜：限域離子膜 | NSR

中國科學(xué)雜志社 / 時間：2024-12-23 09:43:25

中國科學(xué)雜志社12月21日訊：離子交換膜是電滲析、液流電池、電解水、電化學(xué)合成氨等電膜過程的關(guān)鍵材料，在離子精準(zhǔn)分離、可再生能源儲存和轉(zhuǎn)換以及清潔能源生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。離子交換膜的主要功能是快速和選擇性傳遞離子、隔離陽極和陰極反應(yīng)，離子的滲透性和選擇性取決于離子在膜中荷電通道的傳遞特性，這也決定了電膜過程的效率。本文梭理了離子交換膜歷程（圖1），并認(rèn)為發(fā)展進程中有三個里程碑：**個是1925年Michaelis和Fujita首次報導(dǎo)人工合成的離子交換膜；第二個是1978年以微相分離通道而聞名的Nafion膜，并由杜邦公司產(chǎn)業(yè)化；第三個是2020年前后隨著離子交換膜應(yīng)用于電化學(xué)器件，涌現(xiàn)出超微孔結(jié)構(gòu)的新一代離子交換膜，離子傳遞不僅依賴功能基團，還取決于膜通道結(jié)構(gòu)和壁面特性。

圖1. 離子交換膜發(fā)展進程。

傳統(tǒng)離子交換膜通過親水相和疏水相分離形成離子傳遞通道，納米尺度的荷電通道主要分布在具有離子交換基團的親水性區(qū)域，而疏水性區(qū)域則缺乏離子傳遞的多孔結(jié)構(gòu)（圖2a）。離子交換膜的離子滲透性與荷電通道的離子交換容量呈正相關(guān)，提高離子交換容量，可以增加反離子滲透性，同時抑制同離子滲透性。然而，當(dāng)離子交換容量大幅提升時，由柔性聚合物鏈組成的離子膜會顯著溶脹，從而產(chǎn)生尺寸更大的離子通道，選擇性大大降低。因此，傳統(tǒng)離子膜的離子滲透性和選擇性之間此消彼長，存在相互制約的現(xiàn)象。

新一代離子交換膜是在微孔限域效應(yīng)的指導(dǎo)下構(gòu)建的，旨在突破傳統(tǒng)離子膜的離子滲透性和選擇性的相互制約（圖2b）。新一代離子膜具有與水合離子直徑相當(dāng)?shù)膭傂晕⒖卓蚣芡ǖ?，可以誘導(dǎo)離子脫水，脫水的離子暴露出更多化學(xué)環(huán)境，與通道壁之間產(chǎn)生更強的相互作用。因此，微孔限域效應(yīng)下的尺寸篩分和相互作用效應(yīng)顯著增強，并主導(dǎo)離子傳遞行為，顯示出打破固有限制的巨大潛力，在新能源器件中展示出超常的性能。

本文首次定義了新一代離子膜內(nèi)涵，其特點是具有與水合離子直徑相當(dāng)?shù)奈⒖卓蚣芡ǖ?，可限域離子傳遞，且通道壁面與離子進行相互作用，以實現(xiàn)離子通量和選擇性的同步提升。根據(jù)制備材料不同，將孔徑定義為1-2 nm，0.7-1.0 nm，<0.7nm三種范圍（圖2b i-iii）。文章提出了新一代離子膜的構(gòu)筑方法，包括超交聯(lián)離子膜、荷電化自具微孔膜、微孔框架離子膜，闡明了微孔通道強化尺寸篩分和壁面相互作用帶來的離子限域傳遞效應(yīng)，突出了其在鹽湖提鋰、液流電池、電解水制氫和合成氨應(yīng)用領(lǐng)域的性能躍升，展望了新一代離子膜在復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)表征、離子傳遞原位解析和規(guī)?；苽涞确矫娴奈磥戆l(fā)展方向。

圖2. 傳統(tǒng)離子交換膜與新一代離子交換膜的結(jié)構(gòu)示意圖。

這項成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National ScienceReview, NSR），中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李興亞特任教授、左培培副研究員為論文共同**作者，徐銅文教授為論文通訊作者。