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  2022年5月20日，Journal of The American Chemical Society 在線發表了北航化學學院江雷院士、高龍成副教授團隊在新型離子交換膜領域的最新研究成果：“One Porphyrin Per Chain Self-Assembled Helical Ion-Exchange Channels for Ultrahigh Osmotic Energy Conversion”。化學學院博士生李超為第一作者，高龍成為通訊作者，北京航空航天大學化學學院為第一單位。 

  離子交換膜作為一種可選擇性傳輸離子的高分子膜，是鹽差電池、燃料電池、海水淡化、污水處理等體系的關鍵部件，離子的通量和選擇性是兩大主要性能參數。要實現高的通量，需提高離子交換基團含量以形成相互連接的離子簇網絡。但是，過高的基團含量將導致溶脹度的增加，從而降低膜的離子選擇性和力學穩定性。因此，如何平衡離子交換膜“高選擇性-高通量”的矛盾是學術界和工業界持續關注的難題。

  為了解決這一難題，江雷院士、高龍成副教授團隊打破傳統思路，設計了最少離子交換基團的聚合物：即每個高分子鏈上僅有一個基團（以卟啉為核的星型嵌段共聚物）。在跨級弱相互作用（卟啉間的π-π堆疊和嵌段自組裝）的協同效應下，卟啉聚集形成高密度的螺旋通道。由于卟啉與氯離子間較強的相互作用（結合常數~10⁵ M^-1）以及卟啉間極短的傳輸路徑（0.4-0.5 nm），卟啉螺旋通道表現出高的陰離子選擇性和高的離子導通率。同時，正是因為極低的卟啉含量（~10^-2 meq·g^-1），卟啉通道膜有效避免了溶脹引起的選擇性降低，達到了“以少勝多”的效果。將卟啉螺旋通道膜應用于鹽差電池隔膜，在50倍濃度梯度下實現了19.3 W·m^-2的功率密度。

卟啉螺旋通道膜高效且穩定的鹽差能轉換

  研究團隊還系統研究了卟啉聚集態尺寸對離子傳輸的影響。通過改變聚合物的分子量和體積分數，納米相分離的尺寸隨之改變，從而影響了相鄰卟啉間的距離。當卟啉π-π堆疊尺寸降低時，離子的傳輸阻力也隨之降低，從而離子交換膜的鹽差能轉換效率得到提升。這種反常規的分子設計理念將為新一代離子交換膜的開發提供思路。

  該工作得到國家自然科學基金(22175009, 21875009)和科技部重點專項2017YFA0206904, 2017YFA0206900的資助。