新的膜设计允许选择性和近乎无摩擦的离子传输

离子传输膜是清洁能源技术的重要组成部分，例如CO2电解槽、水电解槽、燃料电池、氧化还原液流电池和离子捕获电渗析。这些膜必须筛选出特定物质以防止交叉，同时有效地传导特定离子。

高分子材料具有成本低、制造可扩展性和占地面积小等优点，因此在实际模块中主导了离子传输膜的使用。然而，现有的聚合物膜面临着普遍存在的“电导率-选择性”权衡：高导电性膜往往表现出低选择性，反之亦然。这种权衡在开发满足所需性能标准的膜材料方面提出了挑战。

在26月<>日发表在《自然》杂志上的一项研究中，由中国科学院中国科学技术大学(USTC)徐同文教授和杨正进教授及其合作者领导的研究团队提出了一种新型离子交换膜——三嗪骨架聚合物膜，可以打破电导率与选择性的权衡。

与传统材料相比，三嗪骨架聚合物膜在抗溶胀和抗老化方面表现出显著增强的能力，表现出极低的吸水溶胀率。其刚性通道确保了筛分的高选择性，从而使活性材料的渗透率极低。

通过对刚性孔隙通道的化学性质进行适当控制，研究人员观察到全刚性三嗪框架聚合物膜(SCTF-BP)内的近乎无摩擦的离子流，离子扩散系数接近水中的值。这是通过刚性孔通道内强大的微孔约束以及离子和膜之间的多重相互作用来实现的。

这些骨架膜既具有极低的活性材料渗透率，又具有超高的离子扩散率，其优点是作为离子传导膜在2，6-二羟基蒽醌/K中的离子传导膜4[铁(中)6]水系有机氧化还原液流电池。该膜提供低至 0.17 Ω cm 的整齐区域比电阻2，因此能够在 200 至 500 mA cm 的极端电流密度下实现稳定的电池运行-2，兼具高能效和高容量利用率。

这些数据与能源效率和容量利用率有关，远远超过了用商业膜和最先进的离子筛膜组装的相同电池的数据。

这项工作强调了次级相互作用对开发高性能离子传输膜的重要性。所提出的设计策略被认为具有广泛的应用性，考虑了可用于构建聚合物框架的有机反应和功能单体的多种选择，并根据实际应用需求指导膜的适用性设计。