科研進(jìn)展
青海鹽湖所利用標(biāo)度正規(guī)溶液理論揭示離子交換膜離子輸運(yùn)新機(jī)制
近日，青海鹽湖所溶液化學(xué)課題組李東東副研究員在離子交換膜（IEM）輸運(yùn)理論研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以 “From ion partitioning to ion transport: Scaling invariance of the charged polymer network in ion exchange membrane” 為題，發(fā)表于國(guó)際Top期刊《Desalination》（2026, 627, 119997）。該研究在前期標(biāo)度正規(guī)溶液理論基礎(chǔ)上，首次揭示了荷電聚合物網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)度不變性，建立了離子分配與膜導(dǎo)電性之間的定量關(guān)聯(lián)，為突破離子選擇性與通量的 “權(quán)衡效應(yīng)” 提供了全新理論支撐。
離子交換膜作為海水淡化、鹽湖提鋰、燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)的核心材料，其性能瓶頸在于離子選擇性與導(dǎo)電通量之間的固有矛盾。傳統(tǒng)理論多將膜內(nèi)離子輸運(yùn)簡(jiǎn)化為稀溶液中的長(zhǎng)程靜電作用，難以解釋實(shí)際濃溶液工況下的復(fù)雜輸運(yùn)行為。此前李東東副研究員提出的 “標(biāo)度正規(guī)溶液理論” 已成功統(tǒng)一描述了 59 種體系的離子活度系數(shù)數(shù)據(jù)（Thermodynamics of Mobile Ion in Ion Exchange Membranes: Water-Swollen-Membrane Reference State and Quasi-Regular Solution Model, Journal of Physical Chemistry B, 2025, 129, 19, 4794-4810），而本次研究進(jìn)一步將該理論從熱力學(xué)平衡拓展至動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了從 “離子分配” 到 “離子輸運(yùn)” 的理論貫通。
研究團(tuán)隊(duì)采用改進(jìn)型電化學(xué)阻抗譜（EIS）直接接觸法，系統(tǒng)測(cè)定了商用 CR61 和 CMI-7000S 膜在 0.003 mol/L 至近飽和濃度的堿金屬氯化物溶液中的導(dǎo)電性。通過(guò)設(shè)計(jì)帶塑料防護(hù)罩的測(cè)試裝置，有效抑制了膜的水分流失，獲得了高重現(xiàn)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，膜導(dǎo)電性對(duì)外界鹽濃度高度敏感，在低于 0.1 mol/L 的稀溶液區(qū)域 conductivity 快速攀升，而這一趨勢(shì)無(wú)法被傳統(tǒng)的 Mackie-Meares 模型、Manning 理論及其修正版本等五種均相模型完整描述。
基于標(biāo)度正規(guī)溶液（SRS）理論框架，研究團(tuán)隊(duì)提出：膜內(nèi)未凝聚反離子的擴(kuò)散遵循靜電加速跳躍機(jī)制，其本征擴(kuò)散系數(shù)可達(dá)水溶液中的 20 倍，暗示高電荷密度低曲折度納米通道中可能存在 “負(fù)摩擦” 輸運(yùn)現(xiàn)象。關(guān)鍵創(chuàng)新在于發(fā)現(xiàn)了荷電聚合物網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)度不變性 —— 利用離子分配平衡數(shù)據(jù)確定的標(biāo)度因子 β，可直接用于膜導(dǎo)電性的定量關(guān)聯(lián)，無(wú)需額外擬合參數(shù)。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了膜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)離子輸運(yùn)的主導(dǎo)作用，標(biāo)度因子 β 與加速參數(shù) αSRS 共同構(gòu)成了離子交換膜設(shè)計(jì)的核心理論坐標(biāo)。
實(shí)驗(yàn)與理論分析表明，膜導(dǎo)電性并非膜材料的固有屬性，而是膜?離子?溶液體系的綜合特性，受反離子水合性質(zhì)、聚合物網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、電荷密度及溶液濃度多重因素調(diào)控。弱水合反離子（如 K?、Rb?、Cs?）在靜電勢(shì)阱作用下輸運(yùn)加速更顯著，而適度的水含量與電荷密度（如 CR61 膜的離子交換容量約 3 mol/kg吸收水）更有利于實(shí)現(xiàn)高速離子輸運(yùn)。這為設(shè)計(jì)超高導(dǎo)電性離子交換膜提供了明確方向：需在聚合物網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑶鄱?、電荷密度與工作溶液之間尋求最佳平衡。
該研究得到中國(guó)科學(xué)院西部之光計(jì)劃、青海省昆侖英才計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院 B 類先導(dǎo)專項(xiàng)的聯(lián)合資助。成果不僅深化了對(duì)膜內(nèi)離子輸運(yùn)機(jī)制的理解，更建立了熱力學(xué)平衡與動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)的理論橋梁，為下一代高性能離子交換膜的理性設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
圖1. 迂曲的高電荷密度納米離子傳輸通道內(nèi)的“反離子異常傳輸增強(qiáng)”機(jī)制示意圖及其與其它離子傳輸機(jī)制（純水溶液和之前認(rèn)為的膜內(nèi)離子傳輸機(jī)制）的差異
審核：葛飛
