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研究背景
离子选择性膜是指能够选择性允许某些离子通过而阻止其他离子的高分子薄膜，因其在水处理、能源存储及液流电池等领域具有重要应用而备受关注。与传统的离子交换膜材料相比，离子选择性膜通常具有优异的选择性和稳定性，但在实现高选择性的同时往往面临通量降低的问题，导致膜的渗透性不足，制约了其在高效能设备中的应用。因此，如何兼顾膜的选择性和渗透性，成为该领域亟待解决的关键挑战。
为了解决这一问题，中国科学院大学大连化物所李先锋研究员、鲁文静副研究员以及中国科学技术大学张宏俊教授合作在“Nature Chemical Engineering”期刊上发表了题为“Ultrathin membranes prepared through interfacial polymer cross-linking for selective and fast ion transport”的最新论文。该团队设计并制备了一种基于界面聚合交联的超薄聚合物膜，实现了厚度仅3微米但同时具备高机械强度和精确离子筛分能力的薄膜结构。具体来说，团队通过在两种互不相溶的溶剂界面进行聚合物的交联反应，结合非溶剂置换技术，成功构筑了具有准有序网状交联结构的纳米级分离层。
利用这一创新的界面聚合交联策略，研究人员显著提升了膜的力学性能和热稳定性，且形成了埃米级的纳米通道，能够有效分离尺寸和电荷相似的离子。在酸性、碱性及中性溶液中，该膜表现出远优于商用Nafion膜的低离子渗透率和低面积电阻，打破了传统膜材料中“低电阻-高渗透”难以兼得的瓶颈。更重要的是，该超薄膜在多种水系液流电池中展示了优异的应用效果，如全钒液流电池在300 mA/cm²电流密度下依然保持超过82%的高能量效率，显著提高了电池的工作电流密度和功率密度。
该研究不仅为高性能离子选择膜的设计提供了新思路，也展示了通过分子级结构调控实现膜功能多样化的巨大潜力，对推动绿色能源和水处理技术的发展具有重要意义。
研究亮点
（1）实验首次提出了一种界面聚合交联策略，成功制备出厚度仅3微米的超薄高分子膜，膜中形成了具有准有序网状结构的纳米级分离层，实现了膜的高机械强度与优异离子选择性。
（2）实验通过在两种不混溶溶剂的界面进行聚合物交联，并结合非溶剂交换的方法，精确控制了分离层的厚度和交联密度，形成了埃级（1.8–5.4Å）孔道的交联结构。这种结构既赋予膜极佳的尺寸筛分能力，也保证了良好的机械性能和热稳定性。实验结果表明，该膜在酸性、碱性和中性水系电解液中表现出显著优于商业Nafion膜的低离子渗透率和低面积电阻。
（3）具体应用中，该膜显著提升了全钒液流电池、碱性锌铁电池和有机体系液流电池的能量效率和工作电流密度，实现了高达300 mA cm⁻²的稳定运行。此外，通过更换交联剂及调节反应条件，膜的厚度和通道尺寸可灵活调控，进一步扩展了该策略的适用范围。整体上，该研究有效解决了聚合物膜选择性与通量难以兼得的瓶颈问题，推动了高性能离子选择性膜的发展。
图文解读
图 1.3 微米厚的聚合物膜的制造路线和结构
图 2.交联 PT 膜的结构和稳定性
图 3. PT 膜的传输特性和机理
图 4. PT 膜改善各种水系液流电池的性能
结论展望
本文通过界面聚合交联策略，实现了对聚合物膜分子结构的精确调控，成功打破了传统膜材料中“高选择性与高通量难以兼得”的瓶颈。研究表明，在两种不混溶溶剂界面快速形成的交联致密层不仅赋予了膜卓越的机械强度和热稳定性，更在纳米尺度上构筑了具有准有序埃米级孔道的离子筛分结构，实现了对尺寸和电荷相近离子的精准分离。该结构同时保证了膜的低面积电阻，显著提升了离子传输效率。实验和模拟结果共同揭示了分子尺度的相互作用机制，如阳离子-π作用与质子跳跃的协同效应，进一步加深了对离子运输行为的理解。此外，膜在多种水系液流电池中的优异表现验证了其广泛的实际应用潜力。该研究不仅为设计高性能离子选择性膜提供了新思路，也为未来通过界面工程调控功能材料结构与性能奠定了重要基础，推动了膜材料和电化学储能技术的发展。
原文详情：
Liu, X., Shi, M., Liao, C. et al. Ultrathin membranes prepared through interfacial polymer cross-linking for selective and fast ion transport. Nat Chem Eng (2025).
https://doi.org/10.1038/s44286-025-00238-2
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