Полимерные мембраны широко используются в технологиях разделения благодаря своей низкой стоимости и возможности лёгкого масштабирования производства. Однако, в отличие от неорганических нанопористых материалов, таких как металлоорганические каркасы и ковалентные органические каркасы, которые имеют периодические и упорядоченные каналы, полимерные мембраны, полученные традиционными методами (например, методом фазового разделения), обычно имеют неправильную и неупорядоченную структуру пор.
Ограничения структуры
Это затрудняет точное разделение ионов или молекул близких размеров, что приводит к компромиссу между селективностью и проницаемостью.
Инновационная разработка
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Chemical Engineering, группа учёных под руководством профессора Ли Сяньфэна из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS) разработала новую стратегию межфазного полимерного сшивания для создания ультратонких полимерных мембран с наноразмерными разделительными слоями.
Изготовленные полимерные мембраны толщиной 3 мкм были применены в ванадиевых проточных батареях, обеспечивая работу при высокой плотности тока 300 мА/см².
«Мы разработали новую и простую стратегию уменьшения толщины мембраны, что значительно снижает сопротивление ионному транспорту», — сказал профессор Ли.
Используя эту стратегию, исследователи создали наноразмерный сшитый разделительный слой поверх полимерного поддерживающего слоя. Стабильная, ковалентно сшитая структура позволила уменьшить общую толщину мембраны до 3 мкм.
Результаты
Регулируя время сшивания и типы агентов, исследователи могли изменять толщину и морфологию разделительного слоя.
Полости между полимерными цепями имели размер от 1,8 до 5,4 Å, образуя квазиупорядоченную решётчатую структуру, которая обеспечивает точное ионное просеивание на уровне ангстрема.
Эта структура одновременно обеспечивает высокую ионную селективность и низкое сопротивление, эффективно преодолевая традиционный компромисс между проницаемостью и селективностью.
Высокая способность полимерных мембран к размерному просеиванию ионов и низкое сопротивление транспорта привели к созданию ванадиевой проточной батареи с энергетической эффективностью 82,38% при 300 мА/см².
«Наше исследование решило давние проблемы в проектировании полимерных мембран и предлагает значительные достижения в области мембранных технологий разделения и хранения энергии», — сказал профессор Ли.
Предоставлено Китайской академией наук.