最新Nature：离子交换膜新突破！

来源：高分子科学前沿

膜技术是实现碳中和及循环经济的重要支撑技术，开发高性能膜材料对于新型高效膜分离技术、储能及氢能技术、石油化工分离、水处理、节能减排、资源回收等领域具有重要意义。英国帝国理工学院宋启磊团队成功开发出新型高选择性离子交换膜，并且结合分子动力学模拟、中子散射以及固态核磁等技术，深入研究了亚纳米尺度孔道限域环境内水和离子的传导机制。通过调控自具微孔聚合物内亚纳米孔道限域结构，突破传统离子膜的电导率和离子选择性限制，提高了液流电池的能量效率和运行稳定性。高性能低成本膜材料的开发将有望为液流电池大规模可再生能源储存提供技术支撑。该研究于2024年11月6日在线发表于国际顶级期刊《Nature》，王安琪博士为本文第一作者及共同通讯作者（现任沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）助理教授），宋启磊副教授为论文的共同通讯作者。

【研究背景】

液流电池能大规模长时间储能，适合储存可再生能源（如太阳能和风能）。有机液流电池用有机分子做电解质，成本低且环保。但其电池效率和寿命受高性能离子交换膜影响，需高效传导特定离子并阻隔其他离子和分子，以减少能量损失和避免污染。目前常用的全氟磺酸膜（如Nafion）虽导电性和耐化学性好，但离子选择性低，易导致有机液流电池中离子交叉污染，降低性能和使用寿命。传统高分子离子交换膜材料难以同时实现高电导率和高选择性，因此急需新型膜材料。

【数据分析】

图1. 高选择性离子交换膜结构设计

膜材料的孔道结构在干燥和吸附电解液状态下有着明显的区别，因此作者采用了一系列的表征和分子动力学模拟研究了膜孔结构的演变。

图2. 水合作用下孔隙结构演变的表征

随后作者对这一系列自具微孔聚合物中水和离子的传递展开了深入研究。结果得出：膜的孔道尺寸决定了水的受限传输；水介导的离子传输机制中，移动离子与水的扩散是耦合的。

图3. 膜内水和离子传递特性

由于对膜材料孔道结构的精细调节，新型膜材料能够实现适中的离子电导率和较高的选择性，突破了传统膜材料电导率和选择性此消彼长的瓶颈限制。该膜的稳定性提升至全氟磺酸膜的100倍，是传统磺化聚醚醚酮材料的10倍，在实验室液流电池系统中稳定运行了2个月，有效提升了液流电池储能系统的稳定性（图4b）

图4. 液流电池性能

通过调控自具微孔聚合物侧链基团的局部疏水性，可以实现对特定孔道尺寸和化学环境的精准调控，促进了聚合物与特定离子的相互作用。这些精细调控的亚纳米孔道能够有效控制水和离子的传输，因此在离子电导和选择性方面均优于商业化膜和文献报道的膜。新型高选择性离子交换膜的研发，为新型液流电池技术的进一步发展提供技术支撑。

论文主要完成单位为帝国理工学院，分子动力学模拟由帝国理工化学系Kim Jelfs教授团队完成，中子散射表征由伦敦大学学院Fabrizia Foglia教授团队完成，固态核磁表征由伯明翰大学Melanie Britton教授团队完成。项目资助主要是欧盟科研启动基金及英国自然科学基金等。

参考文献：
Anqi Wang*, Charlotte Breakwell, Fabrizia Foglia, Rui Tan, Louie Lovell, Xiaochu Wei, Toby Wong, Naiqi Meng, Haodong Li, Andrew Seel, Mona Sarter, Keenan Smith, Alberto Alvarez Fernandez, Mate Furedi, Stefan Guldin, Melanie Britton, Neil McKeown, Kim Jelfs, Qilei Song*，Selective ion transport through hydrated micropores in polymer membranes，Nature, 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-08140-2

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