近日，中國科學院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員李先鋒團隊與分子反應動力學國家重點實驗室分子模擬與設計研究組研究員李國輝團隊合作，在離子傳導膜材料的結構設計與研究方面取得新進展。該團隊設計膜內離子傳輸通道，實現了K+快速傳輸，并探究了膜結構和離子傳輸機理。
具有快速離子選擇性傳輸能力的膜材料在工業分離、能源等應用領域具有廣闊的應用前景。這些應用場景通常涉及從復雜混合物中分離特定離子，因而設計具有高效離子選擇性傳導的膜材料至關重要且頗具挑戰性。
本工作通過金屬離子與聚苯并咪唑的配位構建了具有可控離子傳輸通道的膜材料。研究表明，Zn2+與聚苯并咪唑PBI配位得到均勻的聚合物配位網絡，形成連續的水通道，并暴露出更多的極性基團，促使K+的快速傳輸。該團隊通過分子動力學模擬計算K+在聚合物網絡中的運輸行為，揭示K+與聚合物鏈上的-N=相互作用，并靠近鏈段的含氧醚鍵，從而快速通過聚合物膜。同時，配位膜的自由體積增大，形成亞納米級分子通道。納米通道的物理約束和膜的靜電相互作用使K+在濃鹽和濃堿溶液中的遷移不受溶液濃度的影響，遷移數高達0.9，與陽離子交換膜相當。采用K+高效傳輸離子傳導膜組裝堿性鋅鐵液流電池，可有效緩解電池運行過程由于鋅沉積帶來的離子強度失衡進而導致水遷移的問題。本研究提供了通過金屬離子配位調節聚合物鏈結構，進而調控聚合物膜離子傳輸特性的策略，加深了科學家對金屬配位聚合物膜離子傳輸機制的認知。
相關研究成果以Metal-coordinated polybenzimidazole membranes with preferential K+ transport為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金和中科院電化學儲能技術工程實驗室等的支持。
大連化物所設計開發出具有K+高效傳輸能力的離子傳導膜
