近日，中国科大苏州高等研究院张振教授与马克斯普朗克微结构物理研究所冯新亮教授合作在《Angew Chem Int Ed》上发表了题为“Highly Anion-Conductive Viologen-based Two-Dimensional Polymer Membranes as Nanopower Generators”的研究论文。
超薄二维聚合物及其层叠的二维共价有机框架膜具备固有的直接离子传输通道和可设计的构建模块，在收集可持续渗透能方面具有巨大潜力。然而，现有研究在同时实现大离子通量和高选择性方面仍面临挑战，主要原因是离子的低效率传输。本工作设计并合成了一种π-共轭紫精基二维聚合物膜，拥有更高的正表面电荷密度，而且其4.5 nm的大孔径策略性地增强了双电层的重叠效应。这些特性使得该膜能够在保持理想选择性的同时实现高阴离子通量。
图1：全结晶V2DP膜
这种在水空气界面合成的厚度约为35纳米的紫精基二维聚合物（V2DP）膜，具有较高的正电荷密度（约6 mC m-2）和丰富的纳米级离子传输通道（约5.8 × 1016 m-2）。其精确设计的4.5纳米孔径能够实现双电层重叠，同时保证较大的离子通量。利用这些结构优势，V2DP膜表现出卓越的阴离子传输能力，实现了5.5×103 A m-2的超高电流密度。此外，在混合人工海水和河水时，V2DP膜对Cl-离子的选择性达到了0.70，并实现了55 W m-2的卓越功率密度，优于绝大多数已报道的一维和二维阴离子选择传输膜。
图2：选择性阴离子传输和渗透能转换
DFT和MD模拟揭示了位于V2DP骨架内带正电的吡啶环中的丰富结合位点的作用。这些结合位点使紫精单元与阴离子之间形成运动耦合和解耦，建立了一个连续且高效的Cl-离子传输路径，且具有低传输能垒。
图3：分子尺度理解
这项研究揭示了具有高度有序和带电的离子传输网络的大面积二维聚合物膜在推动可持续能源应用中的巨大潜力。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202409349
张振教授和冯新亮教授为本文的共同通讯作者，中国科学技术大学为本文的第一通讯单位。
（纳米科学技术学院、精准智能化学重点实验室、科研部）