近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授/葛曉琳教授等在堿性膜（陰離子交換膜）方面取得新突破，他們設(shè)計制備了一種新型螺環(huán)支化聚合物，成功在材料中構(gòu)建了豐富且高度連通的亞納米級微孔離子通道，通過“膠體法”制備的膜在液流電池應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異性能且能夠在400 mA cm^?2的高電流密度下實現(xiàn)快速充放電。研究成果以“High-performance spiro-branched polymeric membranes for sustainability applications”為題發(fā)表在國際著名期刊NatureSustainability上（Nat. Sustain. 2024.https://doi.org/10.1038/s41893-024-01364-0）。

堿性膜在化工分離、二氧化碳轉(zhuǎn)化、電化學(xué)合成氨、電解水制氫、能量轉(zhuǎn)換和存儲方面有廣泛的應(yīng)用。然而僅依靠傳統(tǒng)的微相分離調(diào)控方法難以對離子通道的構(gòu)建進行精確控制，導(dǎo)致電導(dǎo)率，選擇性和穩(wěn)定性之間的權(quán)衡問題。近年來大量的研究表明，通過改變聚合物骨架的剛性和拓撲結(jié)構(gòu)，可以對高分子鏈間的自由體積進行調(diào)控，進而在膜中構(gòu)建具有明確尺寸的微孔離子傳輸通道。

在團隊的前期研究中，他們通過調(diào)控聚合物骨架中兩種異構(gòu)體單元(間三苯基和三苯基)的比例，成功設(shè)計了一種具有良好連通性和均勻分布的超微孔的堿性膜（Nat. Commun. 2023, 14, 2732），該款膜已成功實現(xiàn)規(guī)模化制備，在電解水制氫、二氧化碳轉(zhuǎn)化、電化學(xué)合成氨等領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。為了進一步提高膜中的自由體積含量和微孔通道連通性，本工作基于高穩(wěn)定性的聚（芳基哌啶）聚合物，通過具有立體扭曲結(jié)構(gòu)的螺環(huán)支化節(jié)點調(diào)節(jié)分子鏈的拓撲結(jié)構(gòu)和伸展方向，設(shè)計了一種螺環(huán)支化聚合物并通過“膠體法”成功制備成大面積堿性膜（圖1）。該策略結(jié)合了螺環(huán)、支鏈和全碳主鏈聚合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，實現(xiàn)了材料剛性和柔性的平衡。研究結(jié)果表明，該材料形成了一種半柔性3D疏松堆積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠顯著提升聚合物中的自由體積含量，并形成高度連通的亞納米級微孔離子通道。與傳統(tǒng)線性結(jié)構(gòu)聚合物膜相比，螺環(huán)支化聚合物膜能夠有效降低內(nèi)部離子的解離和傳輸能壘，表現(xiàn)出超高的陰離子電導(dǎo)率（30℃時Cl^?電導(dǎo)率超過60 mS cm^?1，80℃時可達120 mS cm^?1）。基于這些膜的中性水系有機液流電池表現(xiàn)出遠超以往報道的功率密度和能量效率，并可在400mAcm^?2的高電流密度下實現(xiàn)快速充放電。此外，該膜在全釩液流電池中也表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和化學(xué)穩(wěn)定性。這項工作為膜材料的設(shè)計提供了新的思路，可能為各種能源和環(huán)境挑戰(zhàn)提供新的解決方案。

圖1螺環(huán)支化堿性膜的設(shè)計策略和制備過程

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張華清博士為該文章的第一作者，葛曉琳教授和徐銅文教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃項目等專項經(jīng)費的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01364-0

（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）