IT之家 4 月 27 日消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員經(jīng)過多年研究，設(shè)計(jì)了一類新型離子傳導(dǎo)膜從，從而實(shí)現(xiàn)微孔框架離子膜內(nèi)近似無摩擦的離子傳導(dǎo)。這種離子膜有望廣泛應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)化、大規(guī)模儲(chǔ)能以及分布式發(fā)電等領(lǐng)域。

據(jù)悉，該研究成果已于北京時(shí)間 4 月 26 日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》進(jìn)行發(fā)表（IT之家附 doi.org/10.1038/s41586-023-05888-x)。

多年來，高效儲(chǔ)存和利用太陽能、風(fēng)能等新能源是我國科研人員的重要研發(fā)課題。央視指出，這種國產(chǎn)離子膜的問世將打破國外同類型產(chǎn)品多年的技術(shù)壟斷。


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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。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文 / 楊正金教授團(tuán)隊(duì)與合作者針對(duì)離子膜普遍存在的“傳導(dǎo)性-選擇性”相互制約關(guān)系，提出一類新型三嗪框架聚合物離子膜。

基于剛性通道的限域效應(yīng)和通道內(nèi)的“離子配位”機(jī)制，這類膜材料展示出了近無摩擦的離子傳遞，實(shí)現(xiàn)了水系有機(jī)液流電池快充，電池充放電電流密度達(dá)到 500 mA / cm2，是當(dāng)前普遍報(bào)道值的 5 倍以上。

▲ 圖 1. 設(shè)計(jì)思路及三嗪框架聚合物離子膜的制備

研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期研究積累和大量實(shí)驗(yàn)探索，設(shè)計(jì)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(jī)制（圖 1d），實(shí)現(xiàn)膜內(nèi)近似無摩擦的離子傳導(dǎo)和水系有機(jī)液流電池的快充。關(guān)鍵創(chuàng)新成果包括：

  • 1.利用有機(jī)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(shí)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(duì)微觀上離子通道尺寸和膜宏觀機(jī)械強(qiáng)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-2d），膜的吸水溶脹率僅有 3.1%（圖 2d），在較低的吸水率下能實(shí)現(xiàn)高效離子傳遞（圖 2e）。

  • 2.提出剛性微孔通道內(nèi)“離子配位”機(jī)制。該研究團(tuán)隊(duì)在微孔框架離子膜中引入荷電基團(tuán)和多種可以和離子發(fā)生弱相互作用的功能基團(tuán)，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-3f）表明：Na + 在膜內(nèi)的自擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到 1.18×10-5cm2 / s，接近水溶液中 Na + 擴(kuò)散系數(shù)（1.28×10-5cm2 / s）和無限稀釋 Na + 擴(kuò)散系數(shù)（1.33×10-5cm2 / s)。

  • 3.以微孔框架離子膜為隔膜組裝的水系有機(jī)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(dá) 500 mA cm-2（當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)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(shí)現(xiàn)了水系有機(jī)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(xiàn)報(bào)道值（圖 4e，4f）。研究者也拓展了該研究成果，實(shí)現(xiàn)了中性體系液流電池的快充。

    ▲ 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(dǎo)性

    ▲ 圖 3. 三嗪框架聚合物離子膜實(shí)現(xiàn)近似無摩擦離子傳遞及離子傳導(dǎo)機(jī)理

    ▲ 圖 4. 三嗪框架聚合物離子膜實(shí)現(xiàn)水系有機(jī)液流電池快充

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