空间限域合成磺化共价有机框架-聚合物膜用于高效渗透能转换

这篇研究论文创新性地提出了一种空间限域合成(SCS)策略，通过在磺化聚合物网络中原位合成磺化共价有机框架(TpPa-SO3H)，构建了具有互连离子通道的复合膜(SCM)。该膜在500倍盐度梯度下实现了40.33 W m-2的最大功率密度，在实际海水-河水渗透能转换中达到14.84 W m-2的优异性能，为清洁能源开发提供了新思路。

　　

空间限域合成策略构建高性能渗透能转换膜

1 引言

随着传统能源短缺和能源需求增长，利用海水与淡水之间的盐浓度差获取渗透能引起了广泛关注。反向电渗析(RED)技术因其能将吉布斯自由能差直接转化为电能而备受瞩目。在该系统中，离子选择性膜(ISM)通过选择性透过特定离子同时阻挡相反电荷离子，产生跨膜电位差。然而，传统聚合物膜存在孔结构不均匀、电阻高等问题，限制了功率密度输出。

2 结果与讨论

2.1 材料制备与表征

研究团队开发了一种创新的空间限域合成(SCS)策略，在磺化聚醚醚酮(SPEEK)基质中原位合成磺化共价有机框架(TpPa-SO₃H)，形成SCM复合膜。通过¹³C NMR、FTIR、XPS等多种表征手段证实了TpPa-SO₃H的成功合成。SAXS分析表明该合成策略保持了SPEEK膜的纳米结构，CO₂吸附测试显示SCM_-20与TpPa-SO₃H具有相当的孔径尺寸。

2.2 离子传输行为

电化学测试表明，SCM_-20在0.1 M KCl中的离子传输效率显著高于纯SPEEK膜。在50倍NaCl浓度梯度下，SCM_-20的短路电流达到7.06 μA，比SPEEK高出78%。计算得到的离子选择性系数(S)≈0.92，表现出近乎理想的阳离子选择性。分子动力学模拟显示，Na⁺离子在SCM_-20中的自扩散系数(2.65×10^-5 m² s^-1)高于在SPEEK中(2.28×10^-5 m² s^-1)，证实了COF与SPEEK的协同作用。

2.3 渗透能转换性能

在RED系统中，SCM_-20在50倍盐度梯度下的最大功率密度达到9.3 W m^-2，显著优于纯SPEEK膜(4.93 W m^-2)。优化研究表明，20 wt.%的COF负载量可实现最佳性能。值得注意的是，在500倍盐度梯度下，功率密度进一步提升至40.33 W m^-2。在实际海水-河水测试中，SCM_-20保持了14.84 W m^-2的优异性能。

2.4 环境稳定性与可扩展性

SCM_-20表现出卓越的环境稳定性，在宽pH范围内保持稳定性能，并能耐受酸性/碱性条件。研究还成功制备了尺寸达150×300 mm的大面积SCM膜，五个区域测试显示性能高度一致，证实了该合成策略的可扩展性。

3 结论

该研究通过空间限域合成策略成功构建了具有互连离子通道的磺化COF-聚合物复合膜，实现了高效的渗透能转换。SCM膜优异的性能主要源于：1) COF框架提供有序孔道和稳定电荷分布；2) SPEEK基质确保良好的Na⁺传输；3) 协同效应增强离子选择性。这项工作为开发高效、可扩展的渗透能转换材料提供了新思路，在清洁能源领域具有重要应用前景。