中国科学技术大学教授徐铜文/杨正金团队与合作者，针对离子膜普遍存在的“传导性-选择性”相互制约关系，提出了一类新型三嗪框架聚合物离子膜。基于刚性通道的限域效应和通道内的“离子配位”机制，这类膜材料展示出近无摩擦的离子传递，实现了水系有机液流电池快充，且电池充放电电流密度达到500 mA/cm2，是当前普遍报道值的5倍以上。
近日，相关研究成果以《三嗪框架聚合物膜内近无摩擦的离子传导》为题，发表在《自然》上。
离子膜是水电解槽、燃料电池、氧化还原液流电池和离子捕获电渗析等相关过程的关键部件。离子在膜内的传递效率取决于离子跨膜的能垒，因此，在膜内构筑高效离子通道、降低离子跨膜传递能垒是开发高性能离子膜的关键。科研团队经过长期研究积累和大量实验探索，设计了一类新型的“微孔框架聚合物离子膜”，提出了刚性微孔通道内“离子配位”机制，实现了膜内近似无摩擦的离子传导和水系有机液流电池的快充。
关键创新成果包括：一是利用有机溶胶凝胶反应，一锅法制备了系列含疏水框架和亲水功能侧链的自支撑微孔框架离子膜，实现了膜吸水后保持疏水框架主体结构尺寸稳定，避免了离子膜吸水对微观上离子通道尺寸和膜宏观机械强度的不利影响，为离子传递提供了刚性微孔限域环境。二是提出刚性微孔通道内“离子配位”机制。
该团队在微孔框架离子膜中引入荷电基团和以及多种可以与离子发生弱相互作用的功能基团，利用静电作用、离子-偶极作用等相互协同，降低离子在膜内传递能垒。三是以微孔框架离子膜为隔膜组装的水系有机液流电池，膜面电阻仅为0.17 Ω·cm2。该电池具备优异的倍率性能，其充放电电流密度可高达500 mA cm-2，且在高电流密度下循环充放电中保持稳定。