2023年4月26日，中国科学技术大学徐铜文/杨正金教授团队与合作者在国际顶级学术期刊《Nature》上发表题为“三嗪框架聚合物膜内近无摩擦的离子传导（Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes）”研究。研究团队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。
国际顶级期刊Science 也对此发表了题为“New molecular membranes could slash costs for storing green energy”的评论报道。
中国科学技术大学化学与材料科学学院博士后左培培、英国爱丁堡大学叶纯纯和中国科大本科毕业生焦中任为论文的共同第一作者。该研究工作获得了国家重点研发项目、国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目资助。
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。离子在膜内的传递效率取决于离子跨膜的能垒，因此，在膜内构筑高效离子通道、降低离子跨膜传递能垒是开发高性能离子膜的关键。以美国杜邦公司Nafion膜为代表的“微相分离”离子膜具备尺寸宽的离子通道，能高效传导离子，但离子通道吸水后易溶胀，导致膜机械强度下降、选择性/阻隔性降低，因而适用于对选择性/阻隔性要求不高的应用。自具微孔离子膜通过半刚性高分子链无法有效堆叠而在膜内形成微孔通道，膜内微孔的尺寸筛分效应提高离子选择性、丰富的孔道提高小尺寸离子的传递效率；但膜内高分子链半刚性的特性可能导致自具微孔离子膜应用过程中的老化。因此，如何在膜内构筑全刚性限域微孔并调控离子与通道的相互作用，从而逼近离子传导速率的极限，是开发新一代离子膜的关键。
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，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。
论文匿名评审人评价：“这种阳离子膜在液流电池中展示出了非凡的性能，其对基于分子型活性物质的水系液流电池研究体系，具有重要的借鉴意义。毫无疑问，与迄今为止使用的最好的膜相比，此类阳离子膜的性能显著提高。”“让人惊叹的是，在这种具备刚性限域离子通道的膜内，钠离子的扩散系数接近在水中的状态。”
《Science》记者Bob Service致信要求采访也谈及：“我们写过很多关于电池、电解槽和其他需要离子传输膜的设备的故事。您们的新工作看起来可能会影响其中的许多研究领域，并可能影响许多技术。因此，我有兴趣写一篇关于这篇研究工作的新闻报道。”报道已于4月26日发表在science网站，题为“New molecular membranes could slash costs for storing green energy”。
New ion-transporting membranes could revolutionize green energy devices.XING DING AND ZHENGJIN YANG 图源science
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05888-x
science评论报道：
https://www.science.org/content/article/new-molecular-membranes-could-slash-costs-storing-green-energy
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