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亚搏手机版app下载高龙成课题组JACS:一链一卟啉自组装螺旋通道实现超高盐差能转换

发布日期:2022-05-24     点击:

亚搏手机版app下载高龙成课题组JACS:一链一卟啉自组装螺旋通道实现超高盐差能转换

2022520日,Journal of the American Chemical Society 在线发表了我院江雷院士、高龙成副教授团队在高效离子交换膜方面的最新研究成果:One Porphyrin Per Chain Self-Assembled Helical Ion-Exchange Channels for Ultrahigh Osmotic Energy Conversion。亚搏手机版app下载博士生李超为第一作者,高龙成副教授为通讯作者,亚搏手机版app下载亚搏手机版app下载为第一单位。

离子交换膜是选择性传输离子的高分子膜,是新能源电池、电解水、海水淡化、电渗析等系统的关键部件。与其他的膜分离过程一样,决定离子交换膜性能的两个关键参数选择性通量之间存在难以兼顾的矛盾(trade-off effect)。在传统的设计中,为实现高的离子通量,尽可能的增大高分子链上离子基团的含量,使其形成互通的离子簇网络。但是,高离子基团含量导致薄膜溶胀率增加,会降低膜的离子选择性。因此,如何平衡选择性-通量的矛盾是学术界和工业界持续关注的难题。

为了解决这一难题,高龙成副教授课题组反其道而行之,利用最少的基团,使其有效地组织起来,形成局部的优势,达到了以少胜多的效果。具体的,通过可控聚合制备了卟啉为核的星型嵌段共聚物,一个高分子链上仅有一个卟啉基团,离子交换容量(~10-2 meq·g-1)比传统离子交换膜低两个数量级。在跨级弱作用力(卟啉的π-π堆叠和嵌段的微相分离)的协同作用下,一步法实现了高密度的卟啉螺旋通道(面密度高达1011 cm-1)。高密度离子通道保障了高的离子通量,同时,因其极低的离子基团含量,薄膜的溶胀得以有效抑制,从而薄膜兼具高的离子选择性。

高密度螺旋卟啉通道膜的设计思路

离子交换膜 “以少胜多”的设计理念在盐差电池中得到验证,在50倍的浓度梯度下实现了19.3 W·m-2的功率密度,比传统离子交换膜高一个数量级。这种反传统的设计理念将推动新一代离子交换膜的开发。

该工作得到江雷院士的指导和深圳湾实验室姜和明博士(我院2010级本科生)的大力帮助。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c02798

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