近日，中國科學技術大學徐銅文教授/葛曉琳教授等在堿性膜（陰離子交換膜）方面取得新突破，他們設計制備了一種新型螺環支化聚合物，成功在材料中構建了豐富且高度連通的亞納米級微孔離子通道，通過“膠體法”制備的膜在液流電池應用中表現出優異性能且能夠在400 mA cm^?2的高電流密度下實現快速充放電。研究成果以“High-performance spiro-branched polymeric membranes for sustainability applications”為題發表在國際著名期刊NatureSustainability上（Nat. Sustain. 2024.https://doi.org/10.1038/s41893-024-01364-0）。

堿性膜在化工分離、二氧化碳轉化、電化學合成氨、電解水制氫、能量轉換和存儲方面有廣泛的應用。然而僅依靠傳統的微相分離調控方法難以對離子通道的構建進行精確控制，導致電導率，選擇性和穩定性之間的權衡問題。近年來大量的研究表明，通過改變聚合物骨架的剛性和拓撲結構，可以對高分子鏈間的自由體積進行調控，進而在膜中構建具有明確尺寸的微孔離子傳輸通道。

在團隊的前期研究中，他們通過調控聚合物骨架中兩種異構體單元(間三苯基和三苯基)的比例，成功設計了一種具有良好連通性和均勻分布的超微孔的堿性膜（Nat. Commun. 2023, 14, 2732），該款膜已成功實現規模化制備，在電解水制氫、二氧化碳轉化、電化學合成氨等領域表現出優異的性能。為了進一步提高膜中的自由體積含量和微孔通道連通性，本工作基于高穩定性的聚（芳基哌啶）聚合物，通過具有立體扭曲結構的螺環支化節點調節分子鏈的拓撲結構和伸展方向，設計了一種螺環支化聚合物并通過“膠體法”成功制備成大面積堿性膜（圖1）。該策略結合了螺環、支鏈和全碳主鏈聚合物的結構優勢，實現了材料剛性和柔性的平衡。研究結果表明，該材料形成了一種半柔性3D疏松堆積網絡結構，該結構能夠顯著提升聚合物中的自由體積含量，并形成高度連通的亞納米級微孔離子通道。與傳統線性結構聚合物膜相比，螺環支化聚合物膜能夠有效降低內部離子的解離和傳輸能壘，表現出超高的陰離子電導率（30℃時Cl^?電導率超過60 mS cm^?1，80℃時可達120 mS cm^?1）。基于這些膜的中性水系有機液流電池表現出遠超以往報道的功率密度和能量效率，并可在400mAcm^?2的高電流密度下實現快速充放電。此外，該膜在全釩液流電池中也表現出了優異的性能和化學穩定性。這項工作為膜材料的設計提供了新的思路，可能為各種能源和環境挑戰提供新的解決方案。

圖1螺環支化堿性膜的設計策略和制備過程

中國科學技術大學張華清博士為該文章的第一作者，葛曉琳教授和徐銅文教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃項目等專項經費的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01364-0

（化學與材料科學學院、科研部）