中科大，再发Nature！今年第6篇！

继2023年4月5日之后，中国科学技术大学又发Nature了啊，4月第2篇，今年第6篇(包括共同通讯单位)。

分离过程和电化学技术的提升，如水电解器，燃料电池，氧化还原流动电池和离子捕获电渗析，依赖于低电阻和高选择性的离子传输膜的开发。这些膜中离子的传输取决于整体的能量屏障，由孔隙结构和孔隙-分析物相互作用的综合相互作用所施加。

然而，设计高效、可扩展和低成本的选择性离子传输膜，以提供低能量屏障传输的离子通道仍然具有挑战性。

在此，来自美国犹他州立大学的T. Leo Liu和中国科学技术大学的杨正金&徐铜文等研究者采用一种策略，利用共价键合的聚合物框架和具有约束性离子通道的刚性，使得大面积、独立自立的合成膜中离子在水中的扩散极限得以接近。相关论文以题为“Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes”于2023年04月26日发表在Nature上。

选择性离子传输膜是清洁能源技术的关键组件，包括大规模、高能效的分离和纯化过程，以及各种电化学设备，如CO₂电解器和水电解器，H₂/O₂燃料电池，氧化还原流动电池，离子捕获电渗析等。

在所有这些成熟和新兴的电化学系统中，膜分离器通过传输离子并在两个半电池中隔离电化学反应，其效果取决于膜分离器能否进行快速和选择性的离子传输。亚纳米尺度下的膜中离子传输取决于整体的能量屏障，这些能量屏障由自由体积空隙和孔隙-离子相互作用所决定。

因此，在电化学过程中构建具有低能量屏障的离子通道对于高性能膜的开发是至关重要的。

在各种规模的实际模块中，由于其低成本、制造可扩展性和占地面积小等优势，聚合物材料在选择性离子传输膜中占据主导地位。传统的聚合物材料，如全氟碳Nafion和近期开发的碳氢化合物基聚电解质，通过微相分离形成离子导电区域。

然而，这些区域定义不清，容易在水合作用后肿胀到几纳米大小，这可能有助于离子扩散，但也导致了选择性较差（图1a等）。新兴的观点是限制孔隙体积空隙的尺寸，即增加聚合物骨架的刚性并减少聚合物段的热运动，以实现良好的尺寸选择性，从而促进离子的快速传输。

尤其是可溶液处理的半刚性聚合物材料（即固有微孔性聚合物，PIMs；图1b）正逐渐成为下一代分子分离和离子传输膜，受益于尺寸排除引起的选择性和自由体积引起的渗透性。

然而，这些半刚性、非网络结构的PIMs可能会老化，并且在含有高含量带电功能基团时，可能会经历严重的肿胀，导致选择性下降。

在这里，研究者报告了一种新型的全刚性聚合物骨架膜，其中包含良好限定的离子通道（图1c,d）。研究者的结构设计结合了以下两种要素：(1) 在亲疏水性骨架中将吸收的水隔离在微空腔中，从而在强大的亚纳米尺度限制条件下促进选择性离子传输；(2) 通过离子与孔壁之间的多种相互作用，基于协同作用机制，使离子接近扩散极限。

通过稳健的微孔限制和离子与膜之间的多重相互作用，实现了近乎无摩擦的离子流动。例如，钠离子的扩散系数可达到1.18×10⁻⁹m² s^-1，接近在无限稀释下纯水中的数值，并且膜的单位面积电阻仅为0.17 Ω cm²。

研究者在快速充电的有机电化学流动电池中展示了高效的膜，其在极高电流密度下（高达500 mA cm^-2）实现了高能量效率和高容量利用率，并且避免了交叉扩散导致的容量衰减。这种膜设计概念可能广泛适用于各种电化学设备和精确的分子分离应用。

图1. 具有不同离子通道的现有和拟议的离子选择性聚合物膜的示意图

图2. 带负电荷的CTF膜(SCTF)的表征

图3. 离子在SCTF-BP膜上的传输

图4. SCTF-BP膜实现碱性醌液流电池的快速充电

总之，研究者通过超酸催化的有机溶胶-凝胶过程，由具有不同电荷功能的芳香腈单体衍生的微孔型共价有机框架（CTF）膜，在一系列氧化还原化学反应中实现了高性能的锂空气电池（AORFBs），这归因于微孔结构中阳离子扩散的低能垒。

考虑到构建共价有机框架的多种有机反应和单体选择，这种设计策略可能具有广泛适用性。研究者预计，这些CTF膜将在锂空气电池以外的应用领域发挥更大的潜力，例如在二氧化碳还原的电化学器件中。

虽然在SCTF-BP膜中观察到了与三维纳米通道润湿性相关的局部无摩擦离子流现象，但需要进一步调整CTF膜的结构，以促进长程离子扩散，因为孔隙弯曲可能对此产生阻碍。

研究者在这里提出的概念将超快离子导电膜的潜力扩展到无机微孔材料（例如沸石、碳纳米管、石墨烯和MXenes）以外，并为依赖次级相互作用进行精确分子分离的聚合物膜的发展提供了机会。

作者简介

徐铜文，1989、1992获合肥工业大学学士和硕士学位，1995年获天津大学博士学位，1997年南开大学博士后出站加入中国科技大学工作至今，期间先后在东京大学、东京工业大学、韩国光州科技研究所访问研究。

目前为中国科学技术大学二级教授，校特邀监察员，民建科大支部主委，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴；他先后入选教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划首席科学家，国家百千万人才工程，中科院王宽诚产研人才计划，英国皇家化学会会士；目前担任中国膜工业协会电驱动膜专委会主任， Journal of Membrane Science、Industrial Engineering & Chemical Research等10余种国际英文期刊的编辑/编委及《化工学报》等4种国内核心期刊编委，曾担任国家自然科学基金委员会第13-14届化学工程学科评审组成员，高等学校应用化学与化工基础教学改革联合协作组成员；在Adv Mater, Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Chem, Nat Commun, Energy environ sci, AIChE J等期刊发表论文450余篇（本领域TOP期刊J Membrane Sci~150篇，IF=8.742），SCI 他引17000+次(单篇最高引用1000+次)，H-因子69， 2014-2020连续七年入选Elsevier高被引作者名单。出版中文专著二部，主编英文专著3部，受邀撰写中英文专著有关章节20余章。

获得授权发明专利80余项，部分成果已经推广应用。课题组已培养研究生和博士后130余名。以第一完成人身份获得国家技术发明二等奖1次，省部级及行业协会一等奖4次、二等奖2次。他还先后获得中国科大-唐立新优秀学者奖、侯德榜化工科学技术（创新）奖、合芜蚌自主创新综合试验区创新人才奖、安徽省青年科技奖、全国优秀化工科技工作者、中国科大海外校友基金会优秀青年教师奖（现改名：海外校友基金会青年教师成就奖）、中国石油化工协会创新团队奖等荣誉。

文献信息

Zuo, P., Ye, C., Jiao, Z. et al. Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05888-x

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05888-x

http://membrane.ustc.edu.cn/2022/0117/c30195a544191/page.htm

原创文章，作者：菜菜欧尼酱，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/01/18/87f08c3a1e/

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