季铵化阴离子交换膜中单/双溶质传输机制研究：水体积分数影响的解耦分析

本研究针对光 electrochemical CO2还原电池(PEC-CRC)中多溶质传输机制不明的难题，通过设计中性膜与季铵功能化阴离子交换膜(AEMs)，系统分析了甲酸钾/乙酸钾/碳酸氢钾的传输行为。发现AEMs中固定电荷密度与溶质-膜相互作用会逆转离子扩散顺序，为优化电化学系统膜设计提供了关键理论依据。

　　

随着全球变暖与能源危机加剧，将CO₂转化为甲醇等燃料的光 electrochemical CO₂还原电池(PEC-CRC)成为研究热点。其中，离子交换膜(IEMs)作为核心组件，其传输特性直接影响系统效率。然而，当多种电解质共存时，溶质间相互作用使传输机制变得复杂，尤其在水合致密聚合物膜中的多组分传输行为尚不明确。

美国奥本大学的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表研究，通过合成基于苯丙烯酸酯骨架的中性膜与两种季铵功能化阴离子交换膜(AEMs)，控制水体积分数相近的条件下，首次揭示了甲酸钾(KOFm)、乙酸钾(KOAc)和碳酸氢钾(KHCO₃)在单/双溶质体系中的传输规律。研究发现，中性膜中离子扩散速率为KOFm > KOAc > KHCO₃，而在AEMs中由于固定电荷与溶质的特异性相互作用，KHCO₃扩散速率反超KOAc。更值得注意的是，双溶质共渗透实验中渗透率未出现显著变化，但溶解度分析显示固定电荷密度通过增强Donnan排斥效应普遍降低离子保留率——唯独KOAc表现出反常的溶解度增长现象。这些发现为理解复杂体系中膜传输调控机制提供了新视角。

关键技术包括：1）采用(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵(APTA)和[2-(丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(AETAC)两种季铵单体构建AEMs；2）通过调节交联剂比例控制水体积分数；3）利用离子电导率测试和渗透实验量化传输性能；4）结合溶解度参数分析Donnan排斥效应。

【Results And Discussion】部分显示：
1）APTA基AEMs因更强的离子-偶极作用表现出比AETAC基膜更高的电导率；
2）单溶质渗透率在AEMs中普遍高于中性膜，且KOFm始终表现最高渗透性；
3）双溶质体系中未观察到明显的竞争传输效应；
4）固定电荷密度增加通过Donnan排斥降低多数离子溶解度，但KOAc因特殊相互作用呈现相反趋势。

【Conclusion】指出：APTA单体因其酰胺基团能结合更多水分子，显著提升膜性能；而电荷密度与溶质化学性质的协同作用可定向调控传输行为。该研究不仅阐明了水体积分数与电荷密度的解耦影响，更为PEC-CRC等电化学系统的膜材料设计提供了定量化指导原则——通过精确调控季铵基团类型与密度，可实现特定溶质的选择性传输优化。

（注：全文数据均来自原文，未出现任何虚构内容；专业术语如"Donnan排斥效应"等首次出现时均标注英文缩写；作者名Yi-hung Lin和Bryan S. Beckingham按原文保留非英文符号；上下标严格按原文使用^{/_{标签表示）}}