顆粒在線訊：電荷控制的離子傳輸在生命功能中非常重要，它可以通過使用具有帶電表面和特征尺寸的納米通道來模擬。近年來，基于納米通道膜的器件在傳感、分離和能量轉換等眾多領域都顯示出強大的功能。理想的膜應具有高滲透選擇性和離子電導率。增加膜中的電荷密度和構建較大的通道是促進離子跨膜轉運的重要方法。然而，帶電基團過度增加會影響膜的穩(wěn)定性和機械強度，限制其應用。因此，必須有效地調整膜中電荷的分布。

受電鰻細胞膜中的離子運輸?shù)膯l(fā)，中科院理化所江雷院士、聞利平教授團隊通過離子交聯(lián)磺化聚(丙烯醚酮)(SPAEK)和咪唑功能化聚(丙烯醚砜)(IPAES)設計了一個離子交聯(lián)膜（ICM）。ICM 具有納米相分離的結構，離子通道分布清晰，顯示出功能分化的特性。與沒有離子交聯(lián)的膜相比，ICM 表現(xiàn)出更好的陽離子選擇性。同時，ICM 的穩(wěn)定性和機械強度都非常優(yōu)越。此外，基于ICM的滲透能發(fā)生器可以有效地在具有鹽度梯度的水和電力之間轉換吉布斯自由能。在真實的鹽湖/河水條件下，最大輸出功率可達16.72 W/m2。相關工作以題為“Ionic Crosslinking Induced Nanochannels: Nanophase Separation for Ion Transport Promotion”發(fā)表在《Advanced Materials》上。

【ICM結構表征】

作者通過熱致相分離制備了具有功能分化的膜，其結構致密，并顯示出狹窄且孤立的通道?？蚣芏卧诰S持膜的穩(wěn)定性方面起著重要作用，而連續(xù)的離子通道段旨在增強離子傳輸。由于離子交聯(lián)，聚合物鏈和磺基之間的距離將減少，從而導致 ICM 的納米相分離?；撬峄鶊F的聚集導致通道尺寸的增加。疏水聚合物鏈具有控制膜溶脹的能力，由于納米相分離，疏水區(qū)域擴大以避免膜過度膨脹。鑒于此，作者認為ICM 是一種新型膜，具有優(yōu)異的離子傳輸和穩(wěn)定性等優(yōu)點，并且ICM 顯示了不同的交聯(lián)和非交聯(lián)納米域，分別對應于疏水和親水區(qū)域。作者還對ICM進行了AFM和SEM表征，結果顯示，在離子交聯(lián)之后，ICM的納米相分離更加明顯。

圖1. ICM結構示意圖

圖2. ICM微觀結構表征

【ICM的離子運輸】

作者測量了PSPAEK 和 ICM-8在KCl（1 mM）中的電流-電壓（I-V）曲線。結果表明，兩種膜都表現(xiàn)出電荷控制的離子傳輸行為，然而ICM-8的離子電導總是大于PSPAEK，并且在較低濃度下差異更明顯。這說明，ICM-8具有更有效的離子傳輸。同時還測量了在 100 倍 KCl 濃度梯度下的I-V曲線。兩條曲線的 x 軸截距均為負，這是由于膜的陽離子選擇性，導致鉀離子的擴散速率更高。

圖3. ICM的離子跨膜轉運

【ICM的滲透能轉換】

作者為了評估滲透能轉換，在膜的兩側施加不同鹽度濃度的水。圖4顯示了膜產生的電流密度，它們都隨著電阻的增加而降低。其中，ICM-8的電流密度大于PSPAEK。這一觀察結果證實了 ICM 的優(yōu)越性能。同時，ICM-4 的最大輸出功率密度高達 6.18 W/m2，高于 PSPAEK、ICM-2、ICM-6 和 ICM-8。作者認為這主要是由于，聚集和連接良好的親水簇增強了離子電導率和選擇性，同時，過度交聯(lián)會導致磺酸基團的電荷屏蔽，通道相對較低的電荷密度對離子傳輸有不利影響?；?ICM-4 的設備還具有出色的穩(wěn)定性，在50倍鹽度梯度下工作120h，輸出功率密度僅表現(xiàn)出11.8%的衰減。此外，ICM-4 的功率輸出可以通過串聯(lián)和并聯(lián)連接進一步增加。

圖4. ICM的滲透能轉換

【小結】

受細胞膜中帶電離子通道控制離子傳輸?shù)膯l(fā)，作者通過離子交聯(lián)磺化聚（亞芳基醚酮）（SPAEK）和咪唑鎓功能化的聚（亞芳基醚砜）（IPAES）設計和制造了一種離子交聯(lián)膜。設計的離子交聯(lián)旨在實現(xiàn)納米相分離，以聚集膜中的離子通道，從而賦予其出色的離子選擇性和高離子電導率。憑借優(yōu)異的離子傳輸行為，離子交聯(lián)膜在滲透能轉換方面顯示出巨大的潛力。