近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部研究員李先鋒團(tuán)隊(duì)與分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分子模擬與設(shè)計(jì)研究組研究員李國(guó)輝團(tuán)隊(duì)合作，在離子傳導(dǎo)膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過對(duì)膜內(nèi)離子傳輸通道的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了K+快速傳輸，并對(duì)膜結(jié)構(gòu)和離子傳輸機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)地研究和探討。
具有快速離子選擇性傳輸能力的膜材料在工業(yè)分離、能源等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。這些應(yīng)用場(chǎng)景通常涉及從復(fù)雜混合物中分離特定離子，因此設(shè)計(jì)具有高效離子選擇性傳導(dǎo)的膜材料至關(guān)重要，但仍然存在挑戰(zhàn)。
大連化物所設(shè)計(jì)開發(fā)出具有K+高效傳輸能力的離子傳導(dǎo)膜
在本工作中，團(tuán)隊(duì)通過金屬離子與聚苯并咪唑的配位構(gòu)建了具有可控離子傳輸通道的膜材料。研究表明，Zn2+與聚苯并咪唑PBI配位得到均勻的聚合物配位網(wǎng)絡(luò)，形成連續(xù)的水通道，并暴露出更多的極性基團(tuán)，促使K+的快速傳輸。團(tuán)隊(duì)通過分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算K+在聚合物網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)輸行為，揭示K+與聚合物鏈上的-N=相互作用，并靠近鏈段的含氧醚鍵，從而快速通過聚合物膜。同時(shí)，配位膜的自由體積增大，形成亞納米級(jí)分子通道。納米通道的物理約束和膜的靜電相互作用使K+在濃鹽和濃堿溶液中的遷移不受溶液濃度的影響，遷移數(shù)高達(dá)0.9，與陽(yáng)離子交換膜相當(dāng)。采用K+高效傳輸離子傳導(dǎo)膜組裝堿性鋅鐵液流電池，可有效緩解電池運(yùn)行過程由于鋅沉積帶來(lái)的離子強(qiáng)度失衡進(jìn)而導(dǎo)致水遷移的問題。本研究提供了一種通過金屬離子配位調(diào)節(jié)聚合物鏈結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控聚合物膜離子傳輸特性的策略；同時(shí)加深了對(duì)金屬配位聚合物膜離子傳輸機(jī)制的理解。
相關(guān)研究成果以“Metal-coordinated polybenzimidazole membranes with preferential K+ transport”為題，于近日發(fā)表在《自然—通訊》（Nature Communications）上。該工作的共同第一作者是大連化物所博士研究生吳金娥和副研究員廖晨伊。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。
