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(zhuǎn)換等眾多領(lǐng)域都顯示出強(qiáng)大的功能。理想的膜應(yīng)具有高滲透選擇性和離子電導(dǎo)率。增加膜中的電荷密度和構(gòu)建較大的通道是促進(jìn)離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的重要方法。然而，帶電基團(tuán)過度增加會(huì)影響膜的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，限制其應(yīng)用。因此，必須有效地調(diào)整膜中電荷的分布。

受電鰻細(xì)胞膜中的離子運(yùn)輸?shù)膯l(fā)，中科院理化所江雷院士、聞利平教授團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)了一個(gè)離子交聯(lián)膜（ICM）。ICM 具有納米相分離的結(jié)構(gòu)，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(shí)，ICM 的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)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(zhuǎn)換吉布斯自由能。在真實(shí)的鹽湖/河水條件下，最大輸出功率可達(dá)16.72 W/m2。相關(guān)工作以題為“Ionic Crosslinking Induced Nanochannels: Nanophase Separation for Ion Transport Promotion”發(fā)表在《Advanced Materials》上。

【ICM結(jié)構(gòu)表征】

作者通過熱致相分離制備了具有功能分化的膜，其結(jié)構(gòu)致密，并顯示出狹窄且孤立的通道。框架段在維持膜的穩(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(qiáng)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(dǎo)致 ICM 的納米相分離。磺酸基團(tuán)的聚集導(dǎo)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(kuò)大以避免膜過度膨脹。鑒于此，作者認(rèn)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(diǎn)，并且ICM 顯示了不同的交聯(lián)和非交聯(lián)納米域，分別對(duì)應(yīng)于疏水和親水區(qū)域。作者還對(duì)ICM進(jìn)行了AFM和SEM表征，結(jié)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(jié)構(gòu)示意圖

圖2. ICM微觀結(jié)構(gòu)表征

【ICM的離子運(yùn)輸】

作者測(cè)量了PSPAEK 和 ICM-8在KCl（1 mM）中的電流-電壓（I-V）曲線。結(jié)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(dǎo)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(shí)還測(cè)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(fù)，這是由于膜的陽離子選擇性，導(dǎo)致鉀離子的擴(kuò)散速率更高。

圖3. ICM的離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

【ICM的滲透能轉(zhuǎn)換】

作者為了評(píng)估滲透能轉(zhuǎn)換，在膜的兩側(cè)施加不同鹽度濃度的水。圖4顯示了膜產(chǎn)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(jié)果證實(shí)了 ICM 的優(yōu)越性能。同時(shí)，ICM-4 的最大輸出功率密度高達(dá) 6.18 W/m2，高于 PSPAEK、ICM-2、ICM-6 和 ICM-8。作者認(rèn)為這主要是由于，聚集和連接良好的親水簇增強(qiáng)了離子電導(dǎo)率和選擇性，同時(shí)，過度交聯(lián)會(huì)導(dǎo)致磺酸基團(tuán)的電荷屏蔽，通道相對(duì)較低的電荷密度對(duì)離子傳輸有不利影響?；?ICM-4 的設(shè)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(jìn)一步增加。

圖4. ICM的滲透能轉(zhuǎn)換

【小結(jié)】

受細(xì)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(shè)計(jì)和制造了一種離子交聯(lián)膜。設(shè)計(jì)的離子交聯(lián)旨在實(shí)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(dǎo)率。憑借優(yōu)異的離子傳輸行為，離子交聯(lián)膜在滲透能轉(zhuǎn)換方面顯示出巨大的潛力。