Advanced Energy Materials:pH响应性功能化聚芳醚多孔膜的离子输运研究及利用其捕捉盐差发电能量

近年来,盐差发电器件的开发成为了热电,因为该器件的开发既可以缓解我国的能源紧张,同时该清洁能源对我国的环保事业也可以做出贡献。开发盐差发电器件的核心在于开发高性能的纳米多孔膜,其研究的本质是观察离子/分子在液/膜界面上的运输行为。随着纳米科技的进步和膜材料的开发,不同的应用领域都对多孔膜的智能化提出了更高的要求;开发稳定的智能环境响应性多孔膜已经成为目前科技发展的迫切需求。

针对上述情况,中科院理化所江雷研究员、周亚红博士与吉林大学化学学院特塑中心姜振华教授、朱轩伯博士等合作,从多孔膜材料的合成及孔道结构的调控入手,通过分子设计,合成了具有pH响应性的功能化聚芳醚材料。并以此为基础,通过亲疏水作用自组装制备了具有pH响应离子门控性质的三维纳米多孔膜。相关工作在线发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.202001552)上。

该类聚芳醚材料的化学结构易于调控,只需调节聚合单体的投放比例和成膜环境即可获得一系列具有可调孔隙率和表面电荷密度的三维纳米多孔膜。这主要是由于刚性的聚芳醚骨架结构与吡啶功能基团具有一定的亲疏水差异,所以为了最小化体系的热力学势,所制备的功能化聚芳醚材料在成膜时会发生微相分离,形成三维孔道。通过DPD模拟,可以进一步理解这一过程。另外,研究者们还结合理论计算,系统研究了离子在孔道内的运动规律和能量转换机制,进而多角度揭示多孔膜材料的分子结构-聚集态结构-宏观性能之间的关系。可望为目前多孔膜的功能优化提供思路,为今后多孔膜材料的设计和开发奠定基础。

该纳米多孔膜表现出了很好的离子选择性,基于此,研究者开发了盐差发电体系。根据分子设计,研究者调控了聚合物的结果,制备了一系列的离子化合物,研究发现,随着聚合物中离子基团的增加,多孔膜的表面电荷密度增加,孔密度也得到了提升。这样使得离子跨膜传导能力增强,同时减少了膜内阻,使得盐差发电输出功能进一步增强。基于此,研究者们认为,通过分子设计,结构调控,可以未来开发一系列的高强纳米多孔膜,开发更加性能优异的盐差发电器件。