2022年5月20日，Journal of The American Chemical Society 在线发表了北航化学学院江雷院士、高龙成副教授团队在新型离子交换膜领域的最新研究成果：“One Porphyrin Per Chain Self-Assembled Helical Ion-Exchange Channels for Ultrahigh Osmotic Energy Conversion”。化学学院博士生李超为第一作者，高龙成为通讯作者，北京航空航天大学化学学院为第一单位。
离子交换膜作为一种可选择性传输离子的高分子膜，是盐差电池、燃料电池、海水淡化、污水处理等体系的关键部件，离子的通量和选择性是两大主要性能参数。要实现高的通量，需提高离子交换基团含量以形成相互连接的离子簇网络。但是，过高的基团含量将导致溶胀度的增加，从而降低膜的离子选择性和力学稳定性。因此，如何平衡离子交换膜“高选择性-高通量”的矛盾是学术界和工业界持续关注的难题。
为了解决这一难题，江雷院士、高龙成副教授团队打破传统思路，设计了最少离子交换基团的聚合物：即每个高分子链上仅有一个基团（以卟啉为核的星型嵌段共聚物）。在跨级弱相互作用（卟啉间的π-π堆叠和嵌段自组装）的协同效应下，卟啉聚集形成高密度的螺旋通道。由于卟啉与氯离子间较强的相互作用（结合常数~105 M-1）以及卟啉间极短的传输路径（0.4-0.5 nm），卟啉螺旋通道表现出高的阴离子选择性和高的离子导通率。同时，正是因为极低的卟啉含量（~10-2 meq·g-1），卟啉通道膜有效避免了溶胀引起的选择性降低，达到了“以少胜多”的效果。将卟啉螺旋通道膜应用于盐差电池隔膜，在50倍浓度梯度下实现了19.3 W·m-2的功率密度。
高密度螺旋卟啉通道膜的设计思路
卟啉螺旋通道膜高效且稳定的盐差能转换
研究团队还系统研究了卟啉聚集态尺寸对离子传输的影响。通过改变聚合物的分子量和体积分数，纳米相分离的尺寸随之改变，从而影响了相邻卟啉间的距离。当卟啉π-π堆叠尺寸降低时，离子的传输阻力也随之降低，从而离子交换膜的盐差能转换效率得到提升。这种反常规的分子设计理念将为新一代离子交换膜的开发提供思路。
该工作得到国家自然科学基金(22175009, 21875009)和科技部重点专项2017YFA0206904, 2017YFA0206900的资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02798