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  2022年5月20日，Journal of The American Chemical Society 在線發(fā)表了北航化學(xué)學(xué)院江雷院士、高龍成副教授團(tuán)隊在新型離子交換膜領(lǐng)域的最新研究成果：“One Porphyrin Per Chain Self-Assembled Helical Ion-Exchange Channels for Ultrahigh Osmotic Energy Conversion”。化學(xué)學(xué)院博士生李超為第一作者，高龍成為通訊作者，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院為第一單位。 

  離子交換膜作為一種可選擇性傳輸離子的高分子膜，是鹽差電池、燃料電池、海水淡化、污水處理等體系的關(guān)鍵部件，離子的通量和選擇性是兩大主要性能參數(shù)。要實現(xiàn)高的通量，需提高離子交換基團(tuán)含量以形成相互連接的離子簇網(wǎng)絡(luò)。但是，過高的基團(tuán)含量將導(dǎo)致溶脹度的增加，從而降低膜的離子選擇性和力學(xué)穩(wěn)定性。因此，如何平衡離子交換膜“高選擇性-高通量”的矛盾是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界持續(xù)關(guān)注的難題。

  為了解決這一難題，江雷院士、高龍成副教授團(tuán)隊打破傳統(tǒng)思路，設(shè)計了最少離子交換基團(tuán)的聚合物：即每個高分子鏈上僅有一個基團(tuán)（以卟啉為核的星型嵌段共聚物）。在跨級弱相互作用（卟啉間的π-π堆疊和嵌段自組裝）的協(xié)同效應(yīng)下，卟啉聚集形成高密度的螺旋通道。由于卟啉與氯離子間較強(qiáng)的相互作用（結(jié)合常數(shù)~10⁵ M^-1）以及卟啉間極短的傳輸路徑（0.4-0.5 nm），卟啉螺旋通道表現(xiàn)出高的陰離子選擇性和高的離子導(dǎo)通率。同時，正是因為極低的卟啉含量（~10^-2 meq·g^-1），卟啉通道膜有效避免了溶脹引起的選擇性降低，達(dá)到了“以少勝多”的效果。將卟啉螺旋通道膜應(yīng)用于鹽差電池隔膜，在50倍濃度梯度下實現(xiàn)了19.3 W·m^-2的功率密度。

卟啉螺旋通道膜高效且穩(wěn)定的鹽差能轉(zhuǎn)換

  研究團(tuán)隊還系統(tǒng)研究了卟啉聚集態(tài)尺寸對離子傳輸?shù)挠绊憽Ｍㄟ^改變聚合物的分子量和體積分?jǐn)?shù)，納米相分離的尺寸隨之改變，從而影響了相鄰卟啉間的距離。當(dāng)卟啉π-π堆疊尺寸降低時，離子的傳輸阻力也隨之降低，從而離子交換膜的鹽差能轉(zhuǎn)換效率得到提升。這種反常規(guī)的分子設(shè)計理念將為新一代離子交換膜的開發(fā)提供思路。

  該工作得到國家自然科學(xué)基金(22175009, 21875009)和科技部重點專項2017YFA0206904, 2017YFA0206900的資助。