離子膜是水電解槽、燃料電池、氧化還原液流電池和離子捕獲電滲析等相關(guān)過程的關(guān)鍵部件。離子在膜內(nèi)的傳遞效率取決于離子跨膜的能壘，因此，在膜內(nèi)構(gòu)筑高效離子通道、降低離子跨膜傳遞能壘是開發(fā)高性能離子膜的關(guān)鍵。以Nafion膜為代表的“微相分離”離子膜具備尺寸寬的離子通道，能高效傳導離子，但離子通道吸水后易溶脹，導致膜機械強度下降、選擇性/阻隔性降低（圖1a），因而適用于對選擇性/阻隔性要求不高的應(yīng)用。自具微孔離子膜通過半剛性高分子鏈無法有效堆疊而在膜內(nèi)形成微孔通道（圖1b），膜內(nèi)微孔的尺寸篩分效應(yīng)提高離子選擇性、豐富的孔道提高小尺寸離子的傳遞效率；而膜內(nèi)高分子鏈半剛性的特性可能導致自具微孔離子膜應(yīng)用過程中的老化。因此，如何在膜內(nèi)構(gòu)筑全剛性限域微孔并調(diào)控離子與通道的相互作用，從而逼近離子傳導速率的極限，是開發(fā)新一代離子膜的關(guān)鍵。

　　科研團隊經(jīng)過長期研究積累和大量實驗探索，設(shè)計了一類新型的“微孔框架聚合物離子膜”，提出了剛性微孔通道內(nèi)“離子配位”機制（圖1d），實現(xiàn)了膜內(nèi)近似無摩擦的離子傳導和水系有機液流電池的快充。關(guān)鍵創(chuàng)新成果包括：一是利用有機溶膠凝膠反應(yīng)，一鍋法制備了系列含疏水框架和親水功能側(cè)鏈的自支撐微孔框架離子膜（圖1e、1f），實現(xiàn)了膜吸水后保持疏水框架主體結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定，避免了離子膜吸水對微觀上離子通道尺寸和膜宏觀機械強度的不利影響，為離子傳遞提供了剛性微孔限域環(huán)境。結(jié)果表明，該膜具備優(yōu)異的抗老化和耐溶脹性能（圖2a-d），膜的吸水溶脹率僅有3.1%（圖2d），在較低的吸水率下能實現(xiàn)高效離子傳遞（圖2e）。二是提出剛性微孔通道內(nèi)“離子配位”機制。該團隊在微孔框架離子膜中引入荷電基團和以及多種可以與離子發(fā)生弱相互作用的功能基團，利用靜電作用、離子-偶極作用等相互協(xié)同，降低離子在膜內(nèi)傳遞能壘（圖3a）。固體核磁共振和PFG-NMR測試（圖3b-f）表明：Na⁺在膜內(nèi)的自擴散系數(shù)達到1.18×10^-5cm²/s，接近水溶液中Na⁺擴散系數(shù)（1.28×10^-5cm²/s）和無限稀釋Na⁺擴散系數(shù)（1.33×10^-5cm²/s)。三是以微孔框架離子膜為隔膜組裝的水系有機液流電池（蒽醌/鐵氰化鉀體系，圖4a），膜面電阻僅為0.17 Ω·cm²（圖4b）。該電池具備優(yōu)異的倍率性能（圖4c），其充放電電流密度可高達500 mA cm^-2（當前文獻報道均普遍≤100 mA cm^-2），且在高電流密度下循環(huán)充放電中保持穩(wěn)定（圖4d）。該膜實現(xiàn)了水系有機液流電池快充，在不同電流密度下的電池的能量效率和容量利用率均顯著高于文獻報道值（圖4e、4f）。該工作拓展了這一成果，實現(xiàn)了中性體系液流電池的快充。

　　論文匿名評審人評價：“這種陽離子膜在液流電池中展示出非凡的性能，其對基于分子型活性物質(zhì)的水系液流電池研究體系，具有重要的借鑒意義。與迄今為止使用的最好的膜相比，此類陽離子膜的性能顯著提高?！薄霸谶@種具備剛性限域離子通道的膜內(nèi)，鈉離子的擴散系數(shù)接近在水中的狀態(tài)。”

　　研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國博士后科學基金等的支持。

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　　science評論報道 

圖1.本文設(shè)計思路及三嗪框架聚合物離子膜的制備

圖2.三嗪框架聚合物離子膜優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和離子傳導性

圖3.三嗪框架聚合物離子膜實現(xiàn)近似無摩擦離子傳遞及離子傳導機理

圖4.三嗪框架聚合物離子膜實現(xiàn)水系有機液流電池快充