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江雷院士/闻利平教授《AM》:受电鳗启发!纳米相分离离子交联膜,促进离子高效传输及渗透能转换

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2021-11-17

点击:2734

电荷控制的离子传输在生命功能中非常重要,它可以通过使用具有带电表面和特征尺寸的纳米通道来模拟。近年来,基于纳米通道膜的器件在传感、分离和能量转换等众多领域都显示出强大的功能。理想的膜应具有高渗透选择性和离子电导率。增加膜中的电荷密度和构建较大的通道是促进离子跨膜转运的重要方法。然而,带电基团过度增加会影响膜的稳定性和机械强度,限制其应用。因此,必须有效地调整膜中电荷的分布。


受电鳗细胞膜中的离子运输的启发,中科院理化所江雷院士、闻利平教授团队通过离子交联磺化聚(丙烯醚酮)(SPAEK)和咪唑功能化聚(丙烯醚砜)(IPAES)设计了一个离子交联膜(ICM)。ICM 具有纳米相分离的结构,离子通道分布清晰,显示出功能分化的特性。与没有离子交联的膜相比,ICM 表现出更好的阳离子选择性。同时,ICM 的稳定性和机械强度都非常优越。此外,基于ICM的渗透能发生器可以有效地在具有盐度梯度的水和电力之间转换吉布斯自由能。在真实的盐湖/河水条件下,最大输出功率可达16.72 W/m2。相关工作以题为“Ionic Crosslinking Induced Nanochannels: Nanophase Separation for Ion Transport Promotion”发表在《Advanced Materials》上。




【ICM结构表征】


作者通过热致相分离制备了具有功能分化的膜,其结构致密,并显示出狭窄且孤立的通道。框架段在维持膜的稳定性方面起着重要作用,而连续的离子通道段旨在增强离子传输。由于离子交联,聚合物链和磺基之间的距离将减少,从而导致 ICM 的纳米相分离。磺酸基团的聚集导致通道尺寸的增加。疏水聚合物链具有控制膜溶胀的能力,由于纳米相分离,疏水区域扩大以避免膜过度膨胀。鉴于此,作者认为ICM 是一种新型膜,具有优异的离子传输和稳定性等优点,并且ICM 显示了不同的交联和非交联纳米域,分别对应于疏水和亲水区域。作者还对ICM进行了AFM和SEM表征,结果显示,在离子交联之后,ICM的纳米相分离更加明显。



图1. ICM结构示意图



图2. ICM微观结构表征


【ICM的离子运输】


作者测量了PSPAEK 和 ICM-8在KCl(1 mM)中的电流-电压(I-V)曲线。结果表明,两种膜都表现出电荷控制的离子传输行为,然而ICM-8的离子电导总是大于PSPAEK,并且在较低浓度下差异更明显。这说明,ICM-8具有更有效的离子传输。同时还测量了在 100 倍 KCl 浓度梯度下的I-V曲线。两条曲线的 x 轴截距均为负,这是由于膜的阳离子选择性,导致钾离子的扩散速率更高。



图3. ICM的离子跨膜转运


【ICM的渗透能转换】


作者为了评估渗透能转换,在膜的两侧施加不同盐度浓度的水。图4显示了膜产生的电流密度,它们都随着电阻的增加而降低。其中,ICM-8的电流密度大于PSPAEK。这一观察结果证实了 ICM 的优越性能。同时,ICM-4 的最大输出功率密度高达 6.18 W/m2,高于 PSPAEK、ICM-2、ICM-6 和 ICM-8。作者认为这主要是由于,聚集和连接良好的亲水簇增强了离子电导率和选择性,同时,过度交联会导致磺酸基团的电荷屏蔽,通道相对较低的电荷密度对离子传输有不利影响。基于 ICM-4 的设备还具有出色的稳定性,在50倍盐度梯度下工作120h,输出功率密度仅表现出11.8%的衰减。此外,ICM-4 的功率输出可以通过串联和并联连接进一步增加。



图4. ICM的渗透能转换


【小结】


受细胞膜中带电离子通道控制离子传输的启发,作者通过离子交联磺化聚(亚芳基醚酮)(SPAEK)和咪唑鎓功能化的聚(亚芳基醚砜)(IPAES)设计和制造了一种离子交联膜。设计的离子交联旨在实现纳米相分离,以聚集膜中的离子通道,从而赋予其出色的离子选择性和高离子电导率。凭借优异的离子传输行为,离子交联膜在渗透能转换方面显示出巨大的潜力。


封面图来源图虫创意


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