探索離子溶劑化膜的新突破：西瓜皮啟發(fā)的高性能材料

在現(xiàn)代社會(huì)，電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存裝置是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源解決方案的關(guān)鍵技術(shù)。其中，離子溶劑化膜（Ion Solvating Membranes, ISMs）作為這些裝置的核心部件，其性能直接影響到裝置的效率和穩(wěn)定性。然而，開(kāi)發(fā)具有低離子阻力和高離子選擇性的ISMs一直是一項(xiàng)科學(xué)挑戰(zhàn)。

2024年8月7日，西湖大學(xué)孫立成院士團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》期刊上發(fā)表了題為“A high-performance watermelon skin ion-solvating membrane for electrochemical CO2 reduction”的研究論文，為ISMs的發(fā)展帶來(lái)了革命性的進(jìn)展。

該研究的靈感來(lái)源于自然界中的西瓜皮，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)西瓜皮的下皮層具有高離子電導(dǎo)率，這得益于其內(nèi)部的微孔和連續(xù)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)冷凍-剝離法獲得的西瓜皮膜（Watermelon Skin Membrane, WSM），在纖維素纖維和果膠的協(xié)同作用下，展現(xiàn)出了卓越的離子傳輸性能。

為了深入理解WSM的離子傳輸機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)采用了實(shí)驗(yàn)研究和分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的方法。模擬結(jié)果表明，WSM內(nèi)部的微孔和氫鍵網(wǎng)絡(luò)通過(guò)載體機(jī)制和Grotthuss機(jī)制有效加速了氫氧化物的遷移。同時(shí)，微孔通道上的負(fù)電荷基團(tuán)和羥基增加了甲酸鹽滲透阻力，這對(duì)CO2電還原至關(guān)重要。

該研究提出了一種新的ISMs設(shè)計(jì)策略，即通過(guò)設(shè)計(jì)三維有序框架結(jié)構(gòu)構(gòu)建納米通道以提高氫氧化物的傳輸效率，并在三維框架結(jié)構(gòu)中限制富含質(zhì)子供體和帶負(fù)電基團(tuán)的超微孔聚合物，建立具有離子選擇性的高速離子傳輸通道。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了WSM在電化學(xué)CO2還原反應(yīng)（CO2RR）中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，WSM具有出色的離子傳導(dǎo)性（高達(dá)282.3 mS cm-1，室溫，1 M KOH飽和）和陰離子選擇性。在CO2RR流動(dòng)池中，WSM作為ISM時(shí)，系統(tǒng)能夠達(dá)到高電流密度，并且顯著降低了甲酸鹽交叉率，顯示出了優(yōu)異的性能。

這項(xiàng)研究不僅為理解生物膜中的離子傳輸機(jī)制提供了寶貴見(jiàn)解，也為設(shè)計(jì)先進(jìn)的ISMs帶來(lái)了啟發(fā)。WSM的成功應(yīng)用展示了天然材料在高性能技術(shù)中的應(yīng)用潛力，同時(shí)也為解決能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的挑戰(zhàn)提供了新的思路。

隨著對(duì)WSM離子傳輸機(jī)制的進(jìn)一步研究，以及其他天然材料的探索，我們可以期待未來(lái)將有更多的高性能ISMs被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以滿足日益增長(zhǎng)的能源和環(huán)境需求。這些研究成果有望推動(dòng)電化學(xué)裝置的效率和穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)清潔能源的廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。