科研动态

国科大博士生导师李先锋团队设计开发出具有K+高效传输能力的离子传导膜

  •   近日,国科大博士生导师、大连化物所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员团队与分子反应动力学国家重点实验室分子模拟与设计研究组(1106组)李国辉研究员团队合作,在离子传导膜材料的结构设计与研究方面取得新进展。团队通过对膜内离子传输通道的设计,实现了K+快速传输,并对膜结构和离子传输机理进行了详细地研究和探讨。

      具有快速离子选择性传输能力的膜材料在工业分离、能源等应用领域具有广阔的应用前景。这些应用场景通常涉及从复杂混合物中分离特定离子,因此设计具有高效离子选择性传导的膜材料至关重要,但仍然存在挑战。

      在本工作中,团队通过金属离子与聚苯并咪唑的配位构建了具有可控离子传输通道的膜材料。研究表明,Zn2+与聚苯并咪唑PBI配位得到均匀的聚合物配位网络,形成连续的水通道,并暴露出更多的极性基团,促使K+的快速传输。团队通过分子动力学模拟计算K+在聚合物网络中的运输行为,揭示K+与聚合物链上的-N=相互作用,并靠近链段的含氧醚键,从而快速通过聚合物膜。同时,配位膜的自由体积增大,形成亚纳米级分子通道。纳米通道的物理约束和膜的静电相互作用使K+在浓盐和浓碱溶液中的迁移不受溶液浓度的影响,迁移数高达0.9,与阳离子交换膜相当。采用K+高效传输离子传导膜组装碱性锌铁液流电池,可有效缓解电池运行过程由于锌沉积带来的离子强度失衡进而导致水迁移的问题。本研究提供了一种通过金属离子配位调节聚合物链结构,进而调控聚合物膜离子传输特性的策略;同时加深了对金属配位聚合物膜离子传输机制的理解。

      相关研究成果以“Metal-coordinated polybenzimidazole membranes with preferential K+ transport”为题,于近日发表在《自然—通讯》(Nature Communications)上。该工作的共同第一作者是大连化物所DNL17博士研究生吴金娥、1106组副研究员廖晨伊。上述工作得到国家自然科学基金、中科院电化学储能技术工程实验室等项目的支持。

      文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-36711-w

    责编 :韩明瑞