聚合物膜在能源存储、分离过程和水处理等领域具有广泛应用。它们在电化学设备（如电解槽、液流电池和燃料电池）中起着关键作用，影响着设备的效率和稳定性。膜的孔结构决定了离子和水的运输能力，通过调节孔的大小和形状，可以实现对离子选择性的控制，从而提高膜的性能。传统的膜设计往往在干燥状态下进行，但在水合状态下，膜的孔结构会发生膨胀和重组，影响离子的传输路径和速率。因此，研究如何在水合状态下调节孔的特性是膜设计的一个重要方向。
近日，英国帝国理工学院宋启磊教授和王安琪博士（现任沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）助理教授）团队通过操控聚合物侧链的局部疏水性，成功合成了具有定制孔道尺寸和化学环境的微孔膜。合成的微孔膜具有良好的水合微孔结构，能够有效控制水和离子的运输。这种结构不仅提高了膜的导电性，还增强了离子的选择性，超越了传统商业膜的性能。该设计方法不仅适用于电化学设备，还可以扩展到其他功能材料的开发，针对水处理、资源回收和循环经济等领域的挑战性应用，解决孔膨胀对膜性能的限制。通过合成不同功能化的聚合物变体来实现对膜性能的调控，为未来的膜材料设计提供了新的思路和方法。
图1、具有调节孔隙水合的聚合物膜的设计 © 2024 Springer Nature Limited
图2、水合过程中孔结构演变的表征 © 2024 Springer Nature Limited
图3、水和离子传输 © 2024 Springer Nature Limited
图4、液流电池的稳定循环 © 2024 Springer Nature Limited
该成果通过调节聚合物侧链的疏水性，成功合成了具有特定孔道尺寸和化学环境的微孔膜。这些膜在水和离子运输方面表现出更高的导电性和选择性，优于现有的商业膜和文献中的膜。该设计方法具有广泛的应用潜力，可以用于水处理、资源回收和电池等领域，解决孔膨胀对膜性能的限制。
原文信息：Wang, A., Breakwell, C., Foglia, F. et al. Selective ion transport through hydrated micropores in polymer membranes. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08140-2
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