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离子导电聚合物膜在许多分离和电化学设备中发挥着关键作用，如电渗析、液流电池、燃料电池和电解器。这些膜的性能在很大程度上取决于膜内孔道结构的精确控制。然而，当膜在电解质溶液中水化后，孔径发生显著膨胀，从而影响离子的传输效率和选择性。传统离子交换膜常面临导电性与选择性之间的权衡，如何在水化状态下有效调控孔径大小仍是一大挑战。本文提出了一种创新性的聚合物膜设计，通过引入不同疏水性侧链基团精确调控孔道的水化程度，从而实现对离子传输的高效控制。
成果简介
研究团队开发了一种具有可控水化孔道的聚合物膜系统，该膜通过在带电基团周围引入不同疏水性基团来调节孔道的水合作用。研究发现，通过改变侧链的疏水性，水分子的分布与连接性得到了显著调控，生成了亚纳米级的选择性孔径，有效提升了离子选择性和导电性。该膜在液流电池中的测试显示出优异的离子导电性能和稳定的循环表现，为新一代高效能膜材料提供了新的解决方案。
研究亮点
创新的孔径调控方法：通过调节聚合物侧链的疏水性来控制孔道的水化程度，实现了精确的孔径调控，满足不同电化学设备的需求。
亚纳米级离子选择性孔道：利用疏水基团生成的微孔结构有效抑制了氧化还原活性分子的渗透，同时保持了高离子导电性。
卓越的应用前景：新设计的膜在水化控制和离子选择性传输方面具有广泛应用潜力，特别适用于能量密集型的液流电池和电解水系统。
配图精析
图1：展示了聚合物膜的设计架构，结合疏水基团和氧化氮等功能单元，调节膜的水化状态以实现高选择性。
图2：小角与广角X射线散射图谱揭示了不同疏水基团调控下的干态和水化态孔径分布，显示了侧链对孔道膨胀行为的影响。
图3：分子动力学模拟分析了水分子在不同结构膜中的分布，进一步确认了水化控制下形成的不同孔道结构。
图4：液流电池测试结果展示了新膜材料的离子导电性、循环稳定性和低渗透率，与传统膜材料相比表现出显著的性能提升。
展望
该研究通过精准的孔道水化控制策略，解决了聚合物膜中导电性与选择性的传统权衡问题，为开发高性能离子选择性膜提供了新路径。未来，这一设计理念可应用于其他领域的功能膜材料，如水处理和资源回收，从而推动清洁能源和环境友好技术的发展。
文献信息
期刊：Nature
DOI：10.1038/s41586-024-08140-2
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08140-2
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