IT之家 4 月 27 日消息，中國科學技術(shù)大學科研人員經(jīng)過多年研究，設(shè)計了一類新型離子傳導膜，從而實現(xiàn)微孔框架離子膜內(nèi)近似無摩擦的離子傳導。這種離子膜有望廣泛應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)化、大規(guī)模儲能以及分布式發(fā)電等領(lǐng)域。
據(jù)悉，該研究成果已于北京時間 4 月 26 日在國際學術(shù)期刊《自然》進行發(fā)表。
多年來，高效儲存和利用太陽能、風能等新能源是我國科研人員的重要研發(fā)課題。央視指出，這種國產(chǎn)離子膜的問世將打破國外同類型產(chǎn)品多年的技術(shù)壟斷。
離子膜是水電解槽、燃料電池、氧化還原液流電池和離子捕獲電滲析等相關(guān)過程的關(guān)鍵部件。中國科學技術(shù)大學徐銅文 / 楊正金教授團隊與合作者針對離子膜普遍存在的“傳導性-選擇性”相互制約關(guān)系，提出一類新型三嗪（IT之家備注讀音：qín）框架聚合物離子膜。
基于剛性通道的限域效應(yīng)和通道內(nèi)的“離子配位”機制，這類膜材料展示出了近無摩擦的離子傳遞，實現(xiàn)了水系有機液流電池快充，電池充放電電流密度達到 500 mA / cm2，是當前普遍報道值的 5 倍以上。
研究團隊經(jīng)過長期研究積累和大量實驗探索，設(shè)計了一類新型的“微孔框架聚合物離子膜”，提出了剛性微孔通道內(nèi)“離子配位”機制（圖 1d），實現(xiàn)膜內(nèi)近似無摩擦的離子傳導和水系有機液流電池的快充。關(guān)鍵創(chuàng)新成果包括：
1.利用有機溶膠凝膠反應(yīng)，一鍋法制備了系列含疏水框架和親水功能側(cè)鏈的自支撐微孔框架離子膜（圖 1e，1f），實現(xiàn)了膜吸水后保持疏水框架主體結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定，避免了離子膜吸水對微觀上離子通道尺寸和膜宏觀機械強度的不利影響，為離子傳遞提供了剛性微孔限域環(huán)境。結(jié)果表明，該膜具備優(yōu)異的抗老化和耐溶脹性能（圖 2a-2d），膜的吸水溶脹率僅有 3.1%（圖 2d），在較低的吸水率下能實現(xiàn)高效離子傳遞（圖 2e）。
2.提出剛性微孔通道內(nèi)“離子配位”機制。該研究團隊在微孔框架離子膜中引入荷電基團和多種可以和離子發(fā)生弱相互作用的功能基團，利用靜電作用、離子-偶極作用等相互協(xié)同，降低離子在膜內(nèi)傳遞能壘（圖 3a）。固體核磁共振和 PFG-NMR 測試（圖 3b-3f）表明：Na + 在膜內(nèi)的自擴散系數(shù)達到 1.18×10-5cm2 / s，接近水溶液中 Na + 擴散系數(shù)（1.28×10-5cm2 / s）和無限稀釋 Na + 擴散系數(shù)（1.33×10-5cm2 / s)。
3.以微孔框架離子膜為隔膜組裝的水系有機液流電池（蒽醌 / 鐵氰化鉀體系，圖 4a），膜面電阻僅為 0.17 Ω?cm2（圖 4b）。該電池具備優(yōu)異的倍率性能（圖 4c），其充放電電流密度可高達 500 mA cm-2（當前文獻報道均普遍≤100 mA cm-2），且在高電流密度下循環(huán)充放電中保持穩(wěn)定（圖 4d）。該膜實現(xiàn)了水系有機液流電池快充，在不同電流密度下的電池的能量效率和容量利用率均顯著高于文獻報道值（圖 4e，4f）。研究者也拓展了該研究成果，實現(xiàn)了中性體系液流電池的快充。
▲ 圖 2. 三嗪框架聚合物離子膜優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和離子傳導性
▲ 圖 3. 三嗪框架聚合物離子膜實現(xiàn)近似無摩擦離子傳遞及離子傳導機理
▲ 圖 4. 三嗪框架聚合物離子膜實現(xiàn)水系有機液流電池快充
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