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  離子選擇性隔膜是能源儲存過程（如液流電池）和能源轉化過程（如氫氧燃料電池）的核心組件，其離子傳導能力和選擇性是決定這些裝置性能的關鍵，當前挑戰是如何突破離子膜材料選擇性和傳導能力的瓶頸，同時提供高離子傳導能力和高選擇性。

  陽離子膜是一種由主鏈高分子和荷負電功能基團（如磺酸根）組成的高分子膜材料，基于非氟或部分含氟碳氫骨架制備新型陽離子膜是近十幾年來的研究熱點。為獲得高的離子傳導能力，研究者們提出了包括提高荷電功能基團密度、誘導微相分離結構、引入密集型磺化、調控主鏈和側鏈拓撲結構等策略，但仍無法滿足應用需求。如何制備出兼具高離子電導率和高離子選擇性的陽離子膜（尤其是在低離子交換容量下）依然面臨巨大挑戰。

  中國科大功能膜研究團隊提出：利用離子在受限空間內受到的增強電荷相互作用，加速離子傳遞，提高傳導性；利用限域孔篩分效應，提高選擇性。他們與英國愛丁堡大學和帝國理工學院相關團隊合作，開發了一種新型的陽離子膜材料，磺化自具微孔離聚物膜。

  首先，他們通過超酸催化聚合，從商業化單體出發，制備了氧雜蒽型自具微孔聚合物膜材料（Polymer of Intrinsic Microporosity, PIMs）；隨后通過磺化引入荷電功能基團，制備了系列磺化自具微孔離聚物膜。膜內 <1nm親水微孔作為限域離子通道，利于陽離子傳導，同時微孔的尺寸效應也加強了其離子選擇性（圖1）。

圖1. 磺化自具微孔離聚物膜制備及其在水系有機液流電池和燃料電池中的應用

  該類膜材料的離子傳導能力可通過膜內微孔、荷電功能基團數量來調控。研究結果表明，孔隙率的提高會顯著增加膜的電導率，高孔隙率的SPX-BP膜在較低的離子交換容量時（0.95 mmol g^-1），質子電導率高達180 mS cm^-1（80℃），優于大部分傳統膜。將SPX-BP應用于K₄[Fe(CN)₆]/DHAQ水系有機液流電池（AOFB）時，可顯著提高電池性能（圖2）。以SPX-BP-0.95為隔膜組裝的水系有機液流電池的膜電阻僅為0.70 Ω cm²，能量效率為88%，在1000圈的連續循環過程中，能量效率基本保持不變，庫倫效率>99%。另外，他們也展示了SPX-BP-0.95作為氫氧燃料電池（PEMFC）隔膜的潛力。

圖2. 以磺化自具微孔離聚物膜組裝的K₄[Fe(CN)₆]/DHAQ水系有機液流電池性能

  這項研究表明自具微孔離聚物膜中受限的離子傳遞，有望給離子膜材料的開發提供新的思路，在能源儲存/轉化、離子篩分以及資源提取等相關領域具有較大應用潛力。相關成果以“Sulfonated microporous polymer membranes with fast and selective ion transport for electrochemical energy conversion and storage”為題發表于《德國應用化學》期刊 (Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202000012).

  論文第一作者為中國科學技術大學化學與材料學院博士生左培培，楊正金（中國科大）、Neil. B. McKeown (愛丁堡大學) 、宋啟磊 (帝國理工學院)和徐銅文（中國科大）為論文的通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院潔凈能源創新研究院合作基金和中國科大引進人才科研啟動專項經費等經費來源的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202000012