Polymermembran används ofta inom separationsteknik på grund av sin låga kostnad och lätt skalbara tillverkning. Till skillnad från oorganiska nanoporösa material såsom metallorganiska ramverk och kovalenta organiska ramverk, som har periodiska och ordnade kanaler, har polymermembran som tillverkas med traditionella metoder – såsom fasseparation – vanligtvis oregelbundna och oordnade porstrukturer.
Denna strukturella begränsning gör det svårt att separera joner eller molekyler av liknande storlek med hög precision, vilket leder till en avvägning mellan selektivitet och permeabilitet.
I en studie publicerad i Nature Chemical Engineering har ett forskarteam under ledning av professor Li Xianfeng från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid Chinese Academy of Sciences (CAS) utvecklat en ny strategi för tvärbindning av polymerer vid gränsskikt för att tillverka ultratunna polymermembran med separationsskikt i nanoskala.
De tillverkade 3 μm tjocka polymermembranen användes i vanadinflödesbatterier, vilket möjliggjorde drift vid en hög strömtäthet på 300 mA/cm2.
”Vi har utvecklat en ny och enkel strategi för att minska membranets tjocklek, vilket avsevärt sänker jonstransportmotståndet”, säger professor Li.
Med hjälp av denna strategi konstruerade forskarna ett nanoskaligt tvärbundet separationsskikt ovanpå ett polymert bärskikt. Den stabila, kovalent tvärbundna strukturen gjorde det möjligt att minska membranets totala tjocklek till bara 3 μm. Genom att variera tvärbindningstiden och typerna av medel kunde forskarna justera separationsskiktets tjocklek och morfologi.
Håligheterna mellan polymerkedjorna varierade i storlek från 1,8 till 5,4 Å och bildade en kvasiordnad nätstruktur som möjliggör precis jonfiltrering i ångströmskala.
Denna struktur uppnår samtidigt hög jon-selektivitet och låg resistans, vilket effektivt övervinner den traditionella kompromissen mellan permeabilitet och selektivitet. Membranets höga storlekssiktningsförmåga och låga transportmotstånd resulterade i ett vanadinflödesbatteri med en energieffektivitet på 82,38 % vid 300 mA/cm2.
”Vår studie har tagit itu med långvariga utmaningar inom polymermembrankonstruktion och erbjuder betydande framsteg för både membranbaserad separation och energilagringsteknik”, säger professor Li.
Mer information: Ultratunna membran framställda genom gränsskiktspolymertvärbindning för selektiv och snabb jontransport, Nature Chemical Engineering (2025). DOI: 10.1038/s44286-025-00238-2
