Selective ion transport through hydrated micropores in polymer membranes

渗透 电解质 氧化还原 聚合物 离子 离子键合 电渗析 化学工程 离子运输机 材料科学 电化学 肿胀 的 化学 纳米技术 无机化学 电极 有机化学 生物化学 工程类 物理化学
作者
Anqi Wang,Charlotte Breakwell,Fabrizia Foglia,Rui Tan,Louie Lovell,Xiaochu Wei,Toby Wong,Ning Meng,Haodong Li,Andrew G. Seel,Mona Sarter,Keenan Smith,Alberto Álvarez‐Fernández,Máté Füredi,Stefan Guldin,Melanie M. Britton,Neil B. McKeown,Kim E. Jelfs,Qilei Song
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:635 (8038): 353-358 被引量:179
标识
DOI:10.1038/s41586-024-08140-2
摘要

Ion-conducting polymer membranes are essential in many separation processes and electrochemical devices, including electrodialysis1, redox flow batteries2, fuel cells3 and electrolysers4,5. Controlling ion transport and selectivity in these membranes largely hinges on the manipulation of pore size. Although membrane pore structures can be designed in the dry state6, they are redefined upon hydration owing to swelling in electrolyte solutions. Strategies to control pore hydration and a deeper understanding of pore structure evolution are vital for accurate pore size tuning. Here we report polymer membranes containing pendant groups of varying hydrophobicity, strategically positioned near charged groups to regulate their hydration capacity and pore swelling. Modulation of the hydrated micropore size (less than two nanometres) enables direct control over water and ion transport across broad length scales, as quantified by spectroscopic and computational methods. Ion selectivity improves in hydration-restrained pores created by more hydrophobic pendant groups. These highly interconnected ion transport channels, with tuned pore gate sizes, show higher ionic conductivity and orders-of-magnitude lower permeation rates of redox-active species compared with conventional membranes, enabling stable cycling of energy-dense aqueous organic redox flow batteries. This pore size tailoring approach provides a promising avenue to membranes with precisely controlled ionic and molecular transport functions.
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