中国科学家设计出新型离子膜一举打破国外多年垄断，为“双碳”提供技术支撑

IT之家 4 月 27 日消息，中国科学技术大学科研人员经过多年研究，设计了一类新型离子传导膜，从而实现微孔框架离子膜内近似无摩擦的离子传导。这种离子膜有望广泛应用于能源转化、大规模储能以及分布式发电等领域。

据悉，该研究成果已于北京时间 4 月 26 日在国际学术期刊《自然》进行发表。

多年来，高效储存和利用太阳能、风能等新能源是我国科研人员的重要研发课题。央视指出，这种国产离子膜的问世将打破国外同类型产品多年的技术垄断。

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过程的关键部件。中国科学技术大学徐铜文 / 杨正金教授团队与合作者针对离子膜普遍存在的“传导性-选择性”相互制约关系，提出一类新型三嗪（IT之家备注读音：qín）框架聚合物离子膜。

基于刚性通道的限域效应和通道内的“离子配位”机制，这类膜材料展示出了近无摩擦的离子传递，实现了水系有机液流电池快充，电池充放电电流密度达到 500 mA / cm2，是当前普遍报道值的 5 倍以上。

研究团队经过长期研究积累和大量实验探索，设计了一类新型的“微孔框架聚合物离子膜”，提出了刚性微孔通道内“离子配位”机制（图 1d），实现膜内近似无摩擦的离子传导和水系有机液流电池的快充。关键创新成果包括：

• 1.利用有机溶胶凝胶反应，一锅法制备了系列含疏水框架和亲水功能侧链的自支撑微孔框架离子膜（图 1e，1f），实现了膜吸水后保持疏水框架主体结构尺寸稳定，避免了离子膜吸水对微观上离子通道尺寸和膜宏观机械强度的不利影响，为离子传递提供了刚性微孔限域环境。结果表明，该膜具备优异的抗老化和耐溶胀性能（图 2a-2d），膜的吸水溶胀率仅有 3.1%（图 2d），在较低的吸水率下能实现高效离子传递（图 2e）。

• 2.提出刚性微孔通道内“离子配位”机制。该研究团队在微孔框架离子膜中引入荷电基团和多种可以和离子发生弱相互作用的功能基团，利用静电作用、离子-偶极作用等相互协同，降低离子在膜内传递能垒（图 3a）。固体核磁共振和 PFG-NMR 测试（图 3b-3f）表明：Na + 在膜内的自扩散系数达到 1.18×10-5cm2 / s，接近水溶液中 Na + 扩散系数（1.28×10-5cm2 / s）和无限稀释 Na + 扩散系数（1.33×10-5cm2 / s)。

• 3.以微孔框架离子膜为隔膜组装的水系有机液流电池（蒽醌 / 铁氰化钾体系，图 4a），膜面电阻仅为 0.17 Ω・cm2（图 4b）。该电池具备优异的倍率性能（图 4c），其充放电电流密度可高达 500 mA cm-2（当前文献报道均普遍≤100 mA cm-2），且在高电流密度下循环充放电中保持稳定（图 4d）。该膜实现了水系有机液流电池快充，在不同电流密度下的电池的能量效率和容量利用率均显著高于文献报道值（图 4e，4f）。研究者也拓展了该研究成果，实现了中性体系液流电池的快充。

▲ 图 2. 三嗪框架聚合物离子膜优异的尺寸稳定性和离子传导性

▲ 图 3. 三嗪框架聚合物离子膜实现近似无摩擦离子传递及离子传导机理

▲ 图 4. 三嗪框架聚合物离子膜实现水系有机液流电池快充

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