【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中科院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部(DNL17)李先鋒研究員團(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(1106組)李國(guó)輝研究員團(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(guò)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)。
 

　　在本工作中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題。研究提供了一種通過(guò)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我所DNL17博士研究生吳金娥、1106組副研究員廖晨伊。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。(文/圖 吳金娥)