beat365英国官网网站高龍成課題組JACS：一鍊一卟啉自組裝螺旋通道實現超高鹽差能轉換

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2022年5月20日，Journal of the American Chemical Society 在線發表了我院江雷院士、高龍成副教授團隊在高效離子交換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”。beat365英国官网网站博士生李超為第一作者，高龍成副教授為通訊作者，beat365英国官网网站為第一單位。

離子交換膜是選擇性傳輸離子的高分子膜，是新能源電池、電解水、海水淡化、電滲析等系統的關鍵部件。與其他的膜分離過程一樣，決定離子交換膜性能的兩個關鍵參數“選擇性”和“通量”之間存在難以兼顧的矛盾（trade-off effect）。在傳統的設計中，為實現高的離子通量，盡可能的增大高分子鍊上離子基團的含量，使其形成互通的離子簇網絡。但是，高離子基團含量導緻薄膜溶脹率增加，會降低膜的離子選擇性。因此，如何平衡“選擇性-通量”的矛盾是學術界和工業界持續關注的難題。

為了解決這一難題，高龍成副教授課題組反其道而行之，利用最少的基團，使其有效地組織起來，形成局部的優勢，達到了“以少勝多”的效果。具體的，通過可控聚合制備了卟啉為核的星型嵌段共聚物，一個高分子鍊上僅有一個卟啉基團，離子交換容量（~10^-2 meq·g^-1）比傳統離子交換膜低兩個數量級。在跨級弱作用力（卟啉的π-π堆疊和嵌段的微相分離）的協同作用下，“一步法”實現了高密度的卟啉螺旋通道（面密度高達10¹¹ cm^-1）。高密度離子通道保障了高的離子通量，同時，因其極低的離子基團含量，薄膜的溶脹得以有效抑制，從而薄膜兼具高的離子選擇性。

高密度螺旋卟啉通道膜的設計思路

離子交換膜 “以少勝多”的設計理念在鹽差電池中得到驗證，在50倍的濃度梯度下實現了19.3 W·m^-2的功率密度，比傳統離子交換膜高一個數量級。這種反傳統的設計理念将推動新一代離子交換膜的開發。

該工作得到江雷院士的指導和深圳灣實驗室姜和明博士（我院2010級本科生）的大力幫助。

文章鍊接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c02798