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Nature volume 617、pages 299–305 (2023)この記事を引用

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102 オルトメトリック

メトリクスの詳細

分離プロセスや、水電解装置 1、2、燃料電池 3、4、レドックスフロー電池 5、6、イオン捕捉電気透析 7 などの電気化学技術の強化は、低抵抗で高選択性のイオン輸送膜の開発にかかっています。 これらの膜を通過するイオンの輸送は、細孔構造と細孔と分析物の相互作用の集合的な相互作用によって課せられる全体的なエネルギー障壁に依存します8,9。 しかし、低エネルギー障壁の輸送のためのイオンチャネルを提供する、効率的で拡張性があり、低コストの選択的イオン輸送膜を設計することは依然として困難である。 今回我々は、剛性が制限されたイオンチャネルを備えた共有結合したポリマーフレームワークを使用して、大面積の自立型合成膜について水中のイオンの拡散限界に近づくことを可能にする戦略を追求します。 ほぼ摩擦のないイオンの流れは、堅牢な微細孔の閉じ込めとイオンと膜の間の多重相互作用によって相乗的に実現され、たとえば、純水中の値に近い 1.18 × 10−9 m2 s−1 の Na+ 拡散係数が得られます。無限希釈で、面積固有の膜抵抗は 0.17 Ω cm2 という低さです。 我々は、非常に高い電流密度（最大500 mA cm–2）で高いエネルギー効率と高容量利用の両方を実現し、クロスオーバーによる容量低下を回避する、急速充電水性有機レドックスフロー電池における高効率膜を実証します。 この膜設計概念は、広範囲の電気化学デバイスおよび正確な分子分離用の膜に広く適用できる可能性があります。

選択的イオン輸送膜は、大規模でエネルギー効率の高い分離および精製プロセス、そしてもちろん、CO2 電解装置や水電解装置 1、2、10、H2/O2 燃料などの多様な電気化学デバイスを含む、クリーン エネルギー技術の重要なコンポーネントです。セル3、4、レドックスフロー電池5、6、イオン捕捉電気透析7など。 これらの十分に確立された電気化学システムおよび新興の電気化学システムのすべてにおいて、膜セパレーターはイオンを輸送し、2 つの半電池で電気化学反応を分離します。その有効性は、膜セパレーターが迅速かつ選択的なイオン輸送を実行できるかどうかによって決まります 5、11、12。 サブナノメートルスケールでの膜を通過するイオン輸送は、自由体積空隙内のナノ閉じ込めと細孔とイオンの相互作用によって決定される全体的なエネルギー障壁に依存します8,9。 したがって、電気化学プロセスにおける高性能膜の開発には、エネルギー障壁の低いイオンチャネルの構築が不可欠です。

ポリマー材料は、低コスト、製造の拡張性、設置面積の小ささという理想的な組み合わせにより、あらゆる規模の実用的なモジュールで選択的イオン輸送膜の使用の主流となっています。 パーフルオロカーボンナフィオンや最近開発された炭化水素系高分子電解質に代表される従来の高分子材料は、ミクロ相分離によってイオン伝導領域を形成します13,14。 ただし、これらの領域は明確でなく、水和後に数ナノメートルのサイズに膨潤する傾向があり、イオン拡散が促進される可能性がありますが、選択性も低下します（図1aおよび補足図1）。 新しい視点は、細孔容積の空隙のサイズを制限すること、つまりポリマー主鎖の剛性を高め、ポリマーセグメントの熱運動を低減して、迅速なイオン輸送のための良好なサイズ選択性を強化することです15。 特に、溶液加工可能な真性微小多孔性の半硬質ポリマー（PIM、図 1b）は、サイズの利点を活かして、次世代の分子分離 16,17 およびイオン輸送膜 18,19,20,21,22,23 として台頭しています。排除に起因する選択性と自由体積に起因する透過性。 しかし、これらの半硬質の非ネットワーク PIM は老化する可能性があり、帯電官能基の含有量が高いと、選択性の低下につながる深刻な膨潤を受ける可能性があります 21、24、25。