图 微孔三嗪框架离子膜及其中近似无摩擦离子传递

国家自然科学基金委7月4日讯：在国家自然科学基金项目（批准号：21922510、21878281、U20A20127、52021002）等资助下，中国科学技术大学杨正金/徐铜文教授团队，在离子膜领域取得了新进展。相关研究成果以“三嗪框架离子膜内近无摩擦的离子传导（Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes）”为题，于2023年4月26日发表在《自然》（Nature）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05888-x。

离子膜是水电解槽、燃料电池、氧化还原液流电池和离子捕获电渗析等相关设备的关键材料。离子在膜内的传递效率取决于离子跨膜的能垒。传统膜，包括以Nafion膜为代表的“微相分离”离子膜，具备较宽的离子通道，能高效传导离子；但离子通道吸水后易溶胀，导致膜机械强度下降、选择性和阻隔性降低。自具微孔离子膜含有的刚性高分子链由于无法有效堆积，从而导致膜内易产生微孔结构。虽然丰富的微孔结构提供了有效的离子传输通道、微孔的限域效应可以提高离子选择性，但自具微孔离子膜内高分子链的热运动会给离子传递带来摩擦阻力，同时也因膜的老化而造成孔坍塌，从而降低传递效率。因此，如何在膜内构筑全刚性限域微孔、调控离子与通道的相互作用，突破离子在膜中传输速率的极限，是开发新一代离子膜的关键。

研究团队采用有机溶胶凝胶反应，一锅法制备了系列含疏水网络骨架和亲水功能化侧链的微孔框架离子膜，实现了微孔通道内吸收的水分子与疏水刚性主链的分离，避免离子膜吸水对微观上离子通道尺寸和宏观上膜机械强度的不利影响。同时，研究团队提出刚性微孔通道内“离子配位”机制，在微孔框架离子膜中引入带电基团和多种可以与离子发生弱相互作用的功能基团，利用静电、离子-偶极作用降低离子在膜内传递能垒。其中，钠离子在膜内的自扩散系数达1.18×10-5 cm2/s，实现了近似无摩擦的离子传导，膜面电阻降低至0.17 Ω·cm2。

该工作提出的微孔框架聚合物离子膜解决了现有材料存在的传导性和选择性之间的相互制约关系，为发展基于次级相互作用的精准分离膜材料提供了机遇。微孔框架聚合物离子膜有望广泛应用于能源转化、离子筛分和资源提取等研究领域。