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化學(xué)學(xué)院教師團(tuán)隊(duì)在離子傳輸多孔薄膜領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間：2025-06-30 供稿單位：化學(xué)學(xué)院、科學(xué)技術(shù)處撰稿：張寧點(diǎn)擊次數(shù)：

近日，我?；瘜W(xué)學(xué)院朱廣山、張寧教授團(tuán)隊(duì)在高性能離子傳輸多孔薄膜的研發(fā)方面取得重要進(jìn)展。燃料電池作為高效清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置，因其能量密度高、應(yīng)用范圍廣及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，受到廣泛關(guān)注。其中，離子交換膜作為核心組件，其性能直接決定著燃料電池的工作效率。盡管現(xiàn)有商用膜在離子傳導(dǎo)方面表現(xiàn)良好，但其高昂成本、不清晰的分子結(jié)構(gòu)以及對(duì)濕度的高度依賴(lài)性，嚴(yán)重制約了燃料電池的進(jìn)一步應(yīng)用和推廣。因此，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的新型替代膜材料成為當(dāng)務(wù)之急。多孔有機(jī)聚合物（POPs）因其比表面積大、結(jié)構(gòu)可調(diào)及穩(wěn)定性高，在離子交換膜領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，大多數(shù)POPs以不溶性粉末形式存在，制備結(jié)構(gòu)均勻、連續(xù)的POP薄膜仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。針對(duì)這一科學(xué)難題，朱廣山、張寧教授團(tuán)隊(duì)充分挖掘POPs材料的結(jié)構(gòu)多樣性，圍繞提升膜的離子傳導(dǎo)性和穩(wěn)定性，構(gòu)建了一種高效且具有普適性的新型POP薄膜合成策略，成功制備出具備功能導(dǎo)向性的多孔薄膜，并從“合成方法—材料結(jié)構(gòu)—性能調(diào)控”三個(gè)維度開(kāi)展系統(tǒng)研究。相關(guān)成果已相繼發(fā)表于在Angewandte Chemie International Edition、Chemical Science、Small 等國(guó)際核心期刊。

圖1利用表面引發(fā)策略構(gòu)筑多孔聚合物薄膜

團(tuán)隊(duì)首次提出“表面引發(fā)聚合”策略，在硅片表面原位構(gòu)筑具有功能性誘導(dǎo)基團(tuán)的超薄磺酸基共價(jià)有機(jī)框架（SCOF）薄膜。通過(guò)去除犧牲層，成功獲得厚度可控的連續(xù)自支持SCOF薄膜。該薄膜具備剛性的有機(jī)骨架、有序的孔道結(jié)構(gòu)及均勻分布的磺酸基團(tuán)，即使在未額外引入聚合物或酸性小分子的情況下，依然展現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)性能。在80?°C、純水環(huán)境下，SCOF薄膜連續(xù)工作40小時(shí)后仍維持高達(dá)0.54?S?cm?1的穩(wěn)定傳導(dǎo)率。本研究為POP薄膜的構(gòu)建提供了新思路，推動(dòng)了其在質(zhì)子交換膜燃料電池中的應(yīng)用。相關(guān)成果以“Surface-Mediated Construction of an Ultrathin Free-Standing Covalent Organic Framework Membrane for Efficient Proton Conduction” 為題，發(fā)表在 Angewandte Chemie International Edition期刊上。

針對(duì)傳統(tǒng)聚合物膜在低濕度下傳導(dǎo)通道收縮、電導(dǎo)率驟降等問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步基于POPs易于分子層面功能化的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)后修飾獲得兩性離子功能化的COF（Z-TpPa）材料，并沿用表面引發(fā)聚合策略制備Z-TpPa薄膜。該薄膜剛性骨架確保其尺寸穩(wěn)定性，而兩性離子賦予其優(yōu)異的親水性和高密度酸性基團(tuán)，從而構(gòu)建出連續(xù)、規(guī)整的質(zhì)子傳導(dǎo)通道。該膜在50%–90%濕度范圍內(nèi)展現(xiàn)出良好的保水能力，有效緩解了質(zhì)子導(dǎo)膜在低濕環(huán)境下性能下降的問(wèn)題。相關(guān)成果以 “Continuous Ultrathin Zwitterionic Covalent Organic Framework Membrane Via Surface-Initiated Polymerization Toward Superior Water Retention” 為題，發(fā)表在 Small 期刊上。

除質(zhì)子交換膜外，團(tuán)隊(duì)亦聚焦陰離子交換膜燃料電池中存在的傳導(dǎo)率低與堿穩(wěn)定性差等關(guān)鍵問(wèn)題，圍繞多孔芳香骨架（PAFs）材料展開(kāi)研究。通過(guò)調(diào)控側(cè)鏈基團(tuán)種類(lèi)與長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)并合成了多種PAFs薄膜。其中，PAF-MPIP-6膜在80?°C、98%相對(duì)濕度條件下電導(dǎo)率高達(dá)356.6?mS?cm?1，刷新了當(dāng)前已知AEMs的最高電導(dǎo)率記錄。同時(shí)，該膜展現(xiàn)出優(yōu)異的堿穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性，其性能優(yōu)勢(shì)歸因于合理排列的孔內(nèi)陽(yáng)離子基團(tuán)與固有剛性骨架結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果以“Ultrathin Free-Standing Porous Aromatic Framework Membranes for Efficient Anion Transport”為題，發(fā)表在 Angewandte Chemie International Edition期刊上。

鑒于團(tuán)隊(duì)在多孔薄膜設(shè)計(jì)策略上的創(chuàng)新性及其在離子交換膜領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，先后受邀在多個(gè)國(guó)際期刊撰寫(xiě)綜述文章。其中包括題為 “Porous Organic Framework Membranes Based on Interface-Induced Polymerisation: Design, Synthesis and Applications” 的綜述，發(fā)表在Chemical Science期刊上；另一篇題為 “Advanced Anion Exchange Membranes: Structural Insights and Property Optimization” 的綜述則發(fā)表在 Chemistry – An Asian Journal期刊上。