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具高选择性和高传导率 新型离子膜“鱼与熊掌”可兼得

来源:科技日报 陆成宽 访问:438 时间:2023-05-25

膜材料在生活中随处可见,如蔬菜大棚薄膜、汽车玻璃防爆膜、手机面板保护膜等。

5月22日,科技日报记者获悉,中国科学技术大学徐铜文教授、杨正金教授团队与合作者研发了一类新型膜材料——微孔框架聚合物离子膜,首次实现膜内近似无摩擦的离子传导,解决了离子膜材料“传导性—选择性”相互制约的难题。相关研究成果近日发表于《自然》杂志。

离子膜是指由对离子具有选择透过性的高分子材料制成的薄膜。它既需要筛分出特定的物质,防止它通过,又要保证某些物质能高效通过。“传统离子膜普遍存在‘传导性—选择性’相互制约、不可兼得的难题。”徐铜文介绍。

更关键的是,离子膜是液流电池、燃料电池等电化学器件或装备的关键部件,传统离子膜普遍存在吸水后容易出现溶胀变形、结构疏松等问题;同时,长时间使用会导致膜材料结构老化、性能下降。

为解决这些问题,研究团队创新性地研发了一种具有贯通亚纳米离子通道的微孔框架离子膜材料,同时在通道表面进行了化学修饰,不仅解决了传统离子膜材料中离子通道老化和吸水溶胀问题,还兼具高选择性和高传导率,离子传输更加迅速,在膜内实现了近似无摩擦传导。使用该膜组装的液流电池,充放电电流密度可以达到500毫安/平方厘米,是当前普遍报道值的5倍以上。

《自然》杂志审稿人认为,这种离子膜在液流电池中展示出了非凡的性能,与迄今所用的最好的膜相比,此类离子膜的性能显著提高,对基于分子型活性物质的水系液流电池研究体系也具有重要的借鉴意义。

徐铜文表示,该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,为实现“双碳”目标和可持续发展提供技术支撑。基于该成果孵化的特种离子膜产品已申请中国发明专利,研究人员正加紧实现该型离子膜量产。

(原载于《科技日报》 2023-05-25 第06版 材料)

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