超分子阴离子传导膜的设计与性能。

本报讯 阴离子传导膜是清洁能源技术的关键材料。传统膜材料依赖高分子链段的微相分离形成离子传导通道，但这种自发形成的通道随机且不连续，在高电流密度下产生显著的传质阻力。现有的造孔策略虽能引入纳米级孔道，但构筑微孔所需的特殊化学结构往往削弱膜的力学强度和化学耐久性。

针对这一挑战，清华大学化工系刘凯副教授、王保国教授团队联合莱斯大学研究团队，提出了一种利用超分子主客体化学在聚合物膜中构筑动态纳米孔道的新策略。研究团队将刚性大环分子葫芦[7]脲（CB[7]）与阳离子聚合物通过非共价相互作用进行共组装，在不改变聚合物主链化学结构的前提下，获得了兼具高离子传导性与优异力学稳定性的阴离子传导膜，为电化学能源器件提供了新型膜材料平台。

研究团队提出“超分子诱导纳米孔”的创新设计理念。CB[7]与聚合物侧链上季铵阳离子之间的阳离子-偶极相互作用，使CB[7]定点锚定在高分子链的带电位点上，其刚性骨架在相邻聚合物链之间起到“分子楔”的作用，将链间距撑开，形成均匀的纳米级孔道网络。该策略在聚苯醚和聚氟芳醚等不同骨架体系中均可诱导出类似的纳米孔隙，表明其构孔原理具有普适性。同时，CB[7]在膜中扮演超分子交联剂的角色，显著提升了膜的力学性能，且材料在反复干湿循环后保持稳定。

研究团队在将氢氧根电导率分解为载体机制和Grotthuss机制后，继续将纳米孔道膜中Grotthuss的贡献提升了数倍，表明孔道内连续的氢键水网络为氢氧根提供了高效的质子接力传输路径。增强采样分子动力学模拟进一步表明，孔壁的动态柔性通过热涨落开辟了瞬态低势垒通道，有效降低了离子传输的自由能壁垒。

研究成果以“具有超分子纳米孔的葫芦脲基阴离子传导膜”为题，于6月17日在线发表于《自然》（Nature）期刊。

刘凯、王保国、莱斯大学教授汪淏田为论文共同通讯作者，清华大学化工系2024届博士毕业生徐子昂、化工系2022级博士生林董澄、2023级博士生尹浩宇、清华大学合肥公共安全研究院助理研究员冯青青为论文共同第一作者。

（化工系）