离子传输的新视角：为清洁能源技术开辟了新大门

来自 实验室仪器网

分子工程学院和工程学院的研究人员在了解水如何在燃料电池和氧化还原液流电池等清洁能源技术的关键部件之间移动带电离子方面取得了重大进展。到目前为止，科学家认为阴离子交换膜(AEM)需要大量自由流动的水才能实现高效的离子传输。然而，这项新研究挑战了这一假设，表明快速离子传输并不一定依赖于过量的自由水。

相反，研究人员发现，AEM可以通过保持足够的水量来优化，以在膜内形成连接良好的水分子网络。这种结构还确保了离子周围有动态的水壳，从而实现高效运动，而不会损害膜的稳定性。该研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

这项研究为我们提供了优化能源膜的分子水平蓝图，使我们更接近更高效的燃料电池、更好的电池和更可持续的能源存储解决方案，”研究高级作者、芝加哥大学工程与医学专业前教授、现任纽约大学教授胡安·德帕勃罗说。

AEM是一种薄而特殊的材料，其中嵌入了带正电的分子，这些分子可以吸引和引导带负电的离子（阴离子），同时排斥带正电的离子（阳离子）。这些膜在电化学设备中起着关键作用，电荷差异有助于推动反应，例如在燃料电池中发电或在电解器中分解水以产生清洁的氢气。

AEM的效率取决于离子穿过它们的难易程度。科学家早就知道水在离子传输中起着重要作用，但保持高水平的自由流动水会限制设备在低湿度环境中的性能。它还会导致AEM随着时间的推移而膨胀、拉伸和降解。

在这项研究中，研究人员将AEM效率的实验数据与计算机模拟相结合，以更好地了解水的作用。利用先进的二维红外光谱(2DIR)，他们能够在分子水平上捕捉超快的水动力学。

他们的发现表明，被吸收到AEM中的水分子在其结构内形成氢键网络。这种结构化网络和围绕离子的水壳不依赖过量的自由水，而是能够实现高效的离子移动。当水位过低时，需要更多能量才能使离子穿过膜。然而，随着氢键网络变得更加结构化，离子传输变得容易得多。

“我们观察到，即使没有高浓度的水，我们也能观察到离子电导率和跨膜离子传输的增强。这是因为水网络结构良好，第二层中的水分子可以快速调整方向，”孙说。

过去，设计AEM的工程师经常会犯这样的错误：使用过多的水。这项研究提出了一种更好的方法：优化水位以最大程度地提高效率，同时保持结构的完整性。这项研究的一个关键进展是使用二维红外光谱法，结合复杂的分子模型，揭示这些系统中水动力学的精细细节。实验数据和模拟的结合提供了一个强大的框架，可以应用于涉及分子运动的其他科学挑战。

这些发现为设计更具弹性、更高效的能源膜开辟了新的大门，使清洁能源技术更接近现实世界的可行性。

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