Вокруг

Nature, том 617, страницы 299–305 (2023 г.) Процитировать эту статью

26 тысяч доступов

4 цитаты

102 Альтметрика

Подробности о метриках

Совершенствование процессов разделения и электрохимических технологий, таких как водные электролизеры1,2, топливные элементы3,4, окислительно-восстановительные проточные батареи5,6 и ионно-захватывающий электродиализ7, зависит от разработки низкоомных и высокоселективных ионтранспортных мембран. Транспорт ионов через эти мембраны зависит от общих энергетических барьеров, налагаемых коллективным взаимодействием архитектуры пор и взаимодействием поры и аналита8,9. Тем не менее, остается сложной задачей разработка эффективных, масштабируемых и недорогих селективных ионно-транспортных мембран, которые обеспечивают ионные каналы для транспорта с низким энергетическим барьером. Здесь мы придерживаемся стратегии, которая позволяет приблизиться к пределу диффузии ионов в воде для отдельно стоящих синтетических мембран большой площади с использованием ковалентно связанных полимерных каркасов с жестко ограниченными ионными каналами. Поток ионов практически без трения синергетически достигается за счет надежного удержания микропор и многократного взаимодействия между ионом и мембраной, что обеспечивает, например, коэффициент диффузии Na+, равный 1,18 × 10-9 м2/с, что близко к значению в чистой воде. при бесконечном разбавлении и удельном сопротивлении мембраны всего 0,17 Ом см2. Мы демонстрируем высокоэффективные мембраны в быстрозаряжающихся водно-органических окислительно-восстановительных батареях, которые обеспечивают как высокую энергоэффективность, так и высокое использование емкости при чрезвычайно высоких плотностях тока (до 500 мА · см–2), а также позволяют избежать падения емкости, вызванного кроссовером. Эта концепция конструкции мембраны может широко применяться к мембранам для широкого спектра электрохимических устройств и для точного молекулярного разделения.

Селективные ионотранспортные мембраны являются ключевыми компонентами технологий экологически чистой энергетики, включая крупномасштабные энергоэффективные процессы разделения и очистки и, конечно же, столь разнообразные электрохимические устройства, как электролизеры CO2 и электролизеры воды1,2,10, топливо H2/O2. элементы3,4, проточные окислительно-восстановительные батареи5,6, ионно-захватный электродиализ7 и так далее. Во всех этих хорошо зарекомендовавших себя и новых электрохимических системах мембранные сепараторы транспортируют ионы и изолируют электрохимические реакции в двух полуэлементах, их эффективность зависит от способности мембранных сепараторов осуществлять быстрый и селективный транспорт ионов5,11,12. Транспорт ионов через мембраны на субнанометровых масштабах зависит от общих энергетических барьеров, которые определяются наноконфайнментом внутри пустот свободного объема и взаимодействиями пора-ион8,9. Поэтому создание ионных каналов с низкими энергетическими барьерами является обязательным условием для разработки высокоэффективных мембран в электрохимических процессах.

Полимерные материалы доминируют в использовании мембран для селективного ионного транспорта в практических модулях всех масштабов благодаря их идеальному сочетанию низкой стоимости, масштабируемости производства и небольших размеров. Обычные полимерные материалы, представленные перфторуглеродом Нафионом и недавно разработанными полиэлектролитами на основе углеводородов, образуют ионопроводящие области посредством микрофазного разделения13,14. Однако эти области плохо определены и склонны к набуханию до размера в несколько нанометров после гидратации, что может способствовать диффузии ионов, но также вызывает плохую селективность (рис. 1a и дополнительный рисунок 1). Новая перспектива заключается в ограничении размера пустот в объеме пор, то есть в увеличении жесткости основной цепи полимера и уменьшении теплового движения сегмента полимера, чтобы обеспечить хорошую селективность по размеру для быстрого транспорта ионов15. В частности, полужесткие полимеры с внутренней микропористостью, пригодные для обработки в растворе (PIM; рис. 1b), появляются как мембраны нового поколения для разделения молекул16,17 и ионного транспорта18,19,20,21,22,23, выигрывающие от размера. селективность, вызванная исключением, и проницаемость, вызванная свободным объемом. Однако эти полужесткие, несетчатые PIM могут стареть и при высоком содержании заряженных функциональных групп могут подвергаться сильному набуханию, что приводит к снижению селективности21,24,25.