離子交換膜作為海水淡化、鹽湖提鋰、燃料電池等領(lǐng)域的核心材料，其性能提升面臨離子選擇性與導(dǎo)電通量之間的固有矛盾。傳統(tǒng)理論基于稀溶液模型，難以解釋實際濃溶液工況下的復(fù)雜輸運行為。

　　近日，中國科學(xué)院青海鹽湖研究所研究團隊在離子交換膜輸運理論研究中取得新進展，首次揭示了荷電聚合物網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)度不變性，建立了離子分配與膜導(dǎo)電性之間的定量關(guān)聯(lián)。

　　研究在前期提出的“標(biāo)度正規(guī)溶液理論”基礎(chǔ)上，進一步將該理論從熱力學(xué)平衡拓展至動力學(xué)輸運領(lǐng)域，實現(xiàn)了從“離子分配”到“離子輸運”的理論貫通。研究團隊采用改進型電化學(xué)阻抗譜（EIS）直接接觸法，系統(tǒng)測定了商用CR61和CMI-7000S膜，在0.003mol/L至近飽和濃度堿金屬氯化物溶液中的導(dǎo)電性。

　　結(jié)果表明，膜導(dǎo)電性對外界鹽濃度高度敏感，在低于0.1mol/L的稀溶液區(qū)域?qū)щ娦钥焖倥噬?，但這一趨勢無法被傳統(tǒng)的均相模型完整描述?；跇?biāo)度正規(guī)溶液（SRS）理論框架，團隊提出膜內(nèi)未凝聚反離子的擴散遵循靜電加速跳躍機制，其本征擴散系數(shù)可達水溶液中的20倍，暗示高電荷密度低曲折度納米通道中可能存在“負摩擦”輸運現(xiàn)象。

　　研究發(fā)現(xiàn)，荷電聚合物網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)度不變性使得離子分配平衡數(shù)據(jù)確定的標(biāo)度因子β可直接用于膜導(dǎo)電性的定量關(guān)聯(lián)，無需額外擬合參數(shù)。這一發(fā)現(xiàn)證實了膜的拓撲結(jié)構(gòu)對離子輸運的主導(dǎo)作用，標(biāo)度因子β與加速參數(shù)αSRS共同構(gòu)成了離子交換膜設(shè)計的核心理論坐標(biāo)。

　　實驗與理論分析表明，膜導(dǎo)電性并非膜材料的固有屬性，而是膜—離子—溶液體系的綜合特性，受反離子水合性質(zhì)、聚合物網(wǎng)絡(luò)拓撲、電荷密度及溶液濃度多重因素調(diào)控。弱水合反離子（如K?、Rb?、Cs?）在靜電勢阱作用下輸運加速更顯著，而適度的水含量與電荷密度更有利于實現(xiàn)高速離子輸運。

　　該成果為設(shè)計超高導(dǎo)電性離子交換膜提供了明確方向。

　　相關(guān)研究成果以From ion partitioning to ion transport: Scaling invariance of the charged polymer network in ion exchange membrane 為題，發(fā)表在Desalination上。研究工作得到中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和青海省“昆侖英才”行動計劃的支持。

迂曲的高電荷密度納米離子傳輸通道內(nèi)的“反離子異常傳輸增強”機制示意圖及其與其它離子傳輸機制的差異