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Nature 617권, 299~305페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

물 전해조1,2, 연료 전지3,4, 산화환원 흐름 배터리5,6 및 이온 포집 전기투석7과 같은 분리 공정 및 전기화학 기술의 향상은 저저항 및 고선택성 이온 수송 막의 개발에 달려 있습니다. 이러한 막을 통한 이온의 이동은 기공 구조와 기공-분석물 상호작용의 집단적 상호작용에 의해 부과되는 전반적인 에너지 장벽에 따라 달라집니다8,9. 그러나 저에너지 장벽 수송을 위한 이온 채널을 제공하는 효율적이고 확장 가능하며 저렴한 선택적 이온 수송 막을 설계하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다. 여기서 우리는 강성이 제한된 이온 채널이 있는 공유 결합된 폴리머 프레임워크를 사용하여 대면적, 독립형, 합성 멤브레인에 대해 물에서 이온의 확산 한계에 접근할 수 있는 전략을 추구합니다. 마찰이 거의 없는 이온 흐름은 견고한 미세기공 감금과 이온과 막 사이의 다중 상호작용에 의해 시너지 효과를 발휘하며, 예를 들어 순수한 물의 값에 가까운 1.18 x 10-9 m2 s-1의 Na+ 확산 계수를 제공합니다. 무한 희석 시 영역별 막 저항은 0.17 Ω cm2만큼 낮습니다. 우리는 매우 높은 전류 밀도(최대 500mA cm–2)에서 높은 에너지 효율과 고용량 활용도를 모두 제공하고 교차로 인한 용량 감소를 방지하는 수성 유기 산화환원 흐름 배터리를 빠르게 충전하는 고효율 멤브레인을 시연합니다. 이러한 분리막 설계 개념은 광범위한 전기화학소자용 분리막과 정밀한 분자분리를 위한 분리막에 폭넓게 적용될 수 있습니다.

선택적 이온 수송 막은 대규모의 에너지 효율적인 분리 및 정제 공정은 물론 CO2 전해조 및 물 전해조1,2,10, H2/O2 연료와 같은 다양한 전기화학 장치를 포함한 청정 에너지 기술의 핵심 구성 요소입니다. 셀3,4, 산화환원 흐름 배터리5,6, 이온 포집 전기투석7 등. 이러한 잘 확립되고 새롭게 떠오르는 모든 전기화학 시스템에서 막 분리기는 이온을 운반하고 두 개의 반쪽 전지에서 전기화학 반응을 분리하며, 그 효능은 신속하고 선택적인 이온 전달을 수행하는 막 분리기의 능력에 따라 달라집니다5,11,12. 나노미터 이하 규모의 막을 통한 이온 전달은 전체 에너지 장벽에 따라 달라지며, 이는 자유 부피 공극 및 기공-이온 상호 작용 내의 나노감금에 의해 결정됩니다8,9. 따라서 전기화학 공정에서 고성능 분리막을 개발하려면 에너지 장벽이 낮은 이온 채널을 구축하는 것이 필수적입니다.

폴리머 재료는 저렴한 비용, 제조 확장성 및 작은 설치 공간의 이상적인 조합으로 인해 모든 규모의 실제 모듈에서 선택적 이온 수송 멤브레인의 사용을 지배합니다. 퍼플루오로카본 Nafion과 최근 개발된 탄화수소 기반 고분자 전해질로 대표되는 기존 고분자 재료는 미세상 분리를 통해 이온 전도성 영역을 형성합니다. 그러나 이러한 영역은 정의가 불분명하고 수화 후 크기가 수 나노미터로 팽창하는 경향이 있어 이온 확산을 촉진할 수 있지만 선택성이 좋지 않습니다(그림 1a 및 보충 그림 1). 새로운 관점은 빠른 이온 전달을 위해 우수한 크기 선택성을 강화하기 위해 기공 부피 공극의 크기를 제한하는 것입니다. 즉, 폴리머 백본의 강성을 높이고 폴리머 세그먼트의 열 운동을 줄이는 것입니다. 특히, 용액 처리가 가능한 고유 미세 다공성의 반강성 폴리머(PIM, 그림 1b)가 차세대 분자 분리16,17 및 이온 수송 막18,19,20,21,22,23으로 떠오르고 있습니다. 배제 유발 선택성 및 자유 부피 유발 투과성. 그러나 이러한 반강성 비네트워크 PIM은 노화될 수 있으며, 전하 기능 함량이 높을 경우 심각한 팽창을 겪어 선택성이 감소할 수 있습니다21,24,25.