研究提出離子交換膜離子輸運新機制

　　離子交換膜作為海水淡化、鹽湖提鋰、燃料電池等領域的核心材料，其性能提升面臨離子選擇性與導電通量之間的固有矛盾。傳統理論基于稀溶液模型，難以解釋實際濃溶液工況下的復雜輸運行為。

　　近日，中國科學院青海鹽湖研究所研究團隊在離子交換膜輸運理論研究中取得新進展，首次揭示了荷電聚合物網絡的標度不變性，建立了離子分配與膜導電性之間的定量關聯。

　　研究在前期提出的“標度正規溶液理論”基礎上，進一步將該理論從熱力學平衡拓展至動力學輸運領域，實現了從“離子分配”到“離子輸運”的理論貫通。研究團隊采用改進型電化學阻抗譜（EIS）直接接觸法，系統測定了商用CR61和CMI-7000S膜，在0.003mol/L至近飽和濃度堿金屬氯化物溶液中的導電性。

　　結果表明，膜導電性對外界鹽濃度高度敏感，在低于0.1mol/L的稀溶液區域導電性快速攀升，但這一趨勢無法被傳統的均相模型完整描述。基于標度正規溶液（SRS）理論框架，團隊提出膜內未凝聚反離子的擴散遵循靜電加速跳躍機制，其本征擴散系數可達水溶液中的20倍，暗示高電荷密度低曲折度納米通道中可能存在“負摩擦”輸運現象。

　　研究發現，荷電聚合物網絡的標度不變性使得離子分配平衡數據確定的標度因子β可直接用于膜導電性的定量關聯，無需額外擬合參數。這一發現證實了膜的拓撲結構對離子輸運的主導作用，標度因子β與加速參數αSRS共同構成了離子交換膜設計的核心理論坐標。

　　實驗與理論分析表明，膜導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、聚合物網絡拓撲、電荷密度及溶液濃度多重因素調控。弱水合反離子（如K?、Rb?、Cs?）在靜電勢阱作用下輸運加速更顯著，而適度的水含量與電荷密度更有利于實現高速離子輸運。

　　該成果為設計超高導電性離子交換膜提供了明確方向。

　　相關研究成果以From ion partitioning to ion transport: Scaling invariance of the charged polymer network in ion exchange membrane 為題，發表在Desalination上。研究工作得到中國科學院“西部之光”人才培養計劃、中國科學院戰略性先導科技專項和青海省“昆侖英才”行動計劃的支持。