Команда исследователей совершила прорыв в разработке анионообменных мембран (АЕМ). Они разработали новую спирально-разветвленную полимерную мембрану, которая включает в себя сильно связанные субнанометровые микропористые ионные каналы, демонстрируя исключительные характеристики в приложениях с проточными батареями. В команду вошли исследователи из Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук (CAS) под руководством профессоров Сюй Тунвэнь и Гэ Сяолинь.

Исследование было опубликовано в Устойчивость природы.

AEM имеют широкое применение, включая химическое разделение, CO₂ конверсия, электрохимический синтез аммиака, электролиз воды для производства водорода и различные системы хранения энергии. Способность эффективно и надежно проводить ионы жизненно важна для повышения производительности и устойчивости этих приложений. Традиционные методы, в первую очередь посредством микрофазного разделения, не позволяют сбалансировать ионную проводимость, селективность и стабильность. Это часто приводит к компромиссам, которые ограничивают общую производительность мембран.

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа разработала новую спироразветвленную полимерную мембрану с использованием стереоскрученных спирокаркасов и поли(арилпиперидиния) на основе полностью углеродной основной цепи. Процесс синтеза включал создание спироразветвленной структуры, сочетающей в себе жесткость спирозвеньев с гибкостью разветвленных цепей. Эта новая конфигурация была направлена ​​на увеличение свободного объема внутри полимера, что имеет решающее значение для формирования эффективных путей транспорта ионов.

Кроме того, исследователи провели комплексную структурную характеристику, включая морфологический анализ с использованием сканирующей электронной микроскопии (SEM) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM), а также измерения пористости. Эти анализы показали, что мембрана образует полугибкую трехмерную рыхлую сеть, которая значительно увеличивает свободный объем и создает сильно связанные субнанометровые ионные каналы.

Наконец, оценка производительности показала, что спироразветвленные полимерные мембраны демонстрируют исключительную анионную проводимость, при этом проводимость хлорид-ионов превышает 60 мСм · см.^-1 при 30°С и достигая до 120 мСм см.^-1 при 80°С. Кроме того, в проточных батареях эти мембраны показали превосходную плотность мощности и энергоэффективность, обеспечивая быстрые циклы зарядки и разрядки при высокой плотности тока 400 мА см.^-2. Они также продемонстрировали превосходную химическую стабильность в ванадиевых проточных окислительно-восстановительных батареях, что указывает на их потенциал для долгосрочного использования в системах хранения энергии.

Этот прорыв предлагает новую стратегию разработки мембранных материалов, потенциально решающую различные энергетические и экологические проблемы. Исследование не только продвигает науку о полимерах, но и прокладывает путь к более эффективным и устойчивым технологиям хранения энергии.