江雷院士&高龙成JACS：卟啉自组装螺旋离子交换通道用于超高渗透能量转换！

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研究内容

当将离子交换膜(IEMs)嵌入到一个反向电渗析电池中，离子交换膜(IEMs)可将渗透能量转化为电能。为了提高能量转换效率，需要具有高介电选择性和离子电导率的IEMs。通过增加固定载流子的含量可以改善其离子电导率，但由于过度膨胀，离子电导率往往会降低。到目前为止，打破绝缘选择性和导电性之间的平衡仍然是一个挑战。

北京航空航天大学高龙成教授展示了一种具有最低离子交换容量(~10-2 mequiv g-1)的膜，在50倍浓度比下可产生19.3 W m-2的超高功率密度。该膜由卟啉核-四星嵌段共聚物(p-BCP)组成，在BCP自组装和卟啉π-π叠加的协同作用下形成高密度螺旋卟啉通道(~1011 cm-2)。卟啉通道具有较高的氯选择性和导电性，有利于高效的渗透能量转换。相关工作以“One Porphyrin Per Chain Self-Assembled Helical Ion-Exchange Channels for Ultrahigh Osmotic Energy Conversion”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1.作者在BCP自组装和π-π相互作用的协同作用下，发现每个链上有一个卟啉聚集成有序的螺旋通道。此外，引入分层的非共价相互作用来帮助官能团形成连续的通道，其低含量的连续通道对提高离子电导率至关重要。

要点2.这种卟啉核四星嵌段共聚物(p-BCP)自组装成圆柱形纳米结构。卟啉基团被限制在纳米柱中，缩短了卟啉的d-间距，诱导了J-聚集。螺旋状卟啉通道在膜上形成。螺旋卟啉通道对Cl-的传输具有较高的选择性和较低的电阻。低卟啉含量抑制了水的吸收，大大避免了永久选择性的下降。实现了IEMs中最高的功率密度。

要点3.该膜表现出高的介电选择性和离子电导率，被安装在RED电池上，表现出超高性能的能量转换。

p-BCP膜的电化学性能可通过调节卟啉通道的分子结构来增加密度，减少相邻的d-间距卟啉，这表明p-BCP膜可以进一步改进的功率密度减少的d-间距卟啉。这一膜设计策略为渗透能量转换以及基于膜的分离过程提供了一种有前途的方法。

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研究图文

图1. 用于高性能渗透能量收集的高密度螺旋卟啉通道。

图2. 卟啉在p-BCPs中的J聚集。

图3. 螺旋卟啉通道膜的离子输运特性。

图4. 螺旋卟啉通道膜的超高渗透能转换。

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文献详情

One Porphyrin Per Chain Self-Assembled Helical Ion-Exchange Channels for Ultrahigh Osmotic Energy Conversion

Chao Li, Heming Jiang, Pengxiang Liu, Yi Zhai, Xiuqin Yang, Longcheng Gao,* Lei Jiang

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c02798

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