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在电化学装置中，离子选择性和传导性对性能至关重要。然而，传统的离子交换膜在提升传导性的同时往往牺牲了选择性，限制了其在燃料电池、电池和电解槽等应用中的效能。本研究通过调控聚合物膜的微孔结构和水合状态，解决了这一两难问题，为高效离子分离和电化学反应提供了新方向。
成果简介
研究团队设计了一种基于微孔结构的聚合物膜，使用不同疏水性基团修饰，通过控制水合微孔的大小和相互连通性，实现了高效离子传输和优异的选择性。新型膜在多种电化学装置中展现出超越商业化膜的性能，特别是在水合微孔中成功避免了过度膨胀，显著提高了性能稳定性。
配图精析
图1：示意图展示了cPIM膜的微孔水化调控原理。通过调节不同疏水性基团（乙基、苯基、联苯基）的引入，成功调控了微孔的水化行为。疏水性越强，微孔中的水分子越少，形成更小的孔径，从而提高了离子选择性。
图2：小角与广角X射线散射（SAXS和WAXS）结合分子动力学模拟，分析了膜在干态与水合态下的微孔结构。结果表明，cPIM-1和cPIM-Et在水合态下发生显著的孔径膨胀，而cPIM-Ph和cPIM-BP由于其更强的疏水性，保持了亚纳米孔径的稳定性。
图3：离子传导性与水合微孔孔径的相关性。通过EIS和PFG-NMR表明，孔径较大的cPIM-1和cPIM-Et具有较高的离子传导性，而孔径较小的cPIM-Ph和cPIM-BP则展现了更高的离子选择性。
图4：在流电池装置中的性能表现。实验验证了cPIM-Ph膜能够在高能量密度条件下实现低离子渗透率，同时维持优越的稳定性和高库仑效率。
展望
通过精确调控聚合物膜微孔的水化行为，该研究实现了离子传导性与选择性的协调提升，为电化学装置的性能优化提供了新的解决方案。这一设计理念不仅适用于离子分离，还可推广至电池、燃料电池及其他分子筛分应用。
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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