仿生纳米通道智能隔膜的能量转换特性研究

Polymer-based separator membrane plays a crucial role in electrochemical energy devices. However, the lack of fundamental understanding of the ion transport properties through the micro-channels within the membrane limits the performance of the energy devices. In this project, inspired by the bioelectric systems, including the retina, bacteriorhodopsin and green plants, which have the ability to convert environmental energy resources into bioelectricity based on the ion channels and ion pumps on their cell membrane, we propose to develop smart nanochannels with asymmetric structure and chemical composition. The smart nanochannels are further used as building blocks for smart membrane materials. Meanwhile, the mass and charge transport properties of the membrane channels in response to various external stimuli, such as light, electric field, pH, and ionic strength would be investigated. Eventually, the smart membrane materials are suggested to be assembled into macroscopic energy devices. The major investigation includes constructing novel photoelectric conversion nanofluidic devices (mimicking the retina, bacteriorhodopsin photoelectric conversion and the photosynthesis of green plants), asymmetric membranes (asymmetric geometry structure, charge distribution, and wettability), smart nanoporous membranes (assembly and integration of individual nanochannels), and smart nanochannels in non-aqueous electrolytes (smart nanoporous materials). We seek a breakthrough in the field of bio-inspired interfacial functional materials by making close connections between fundamental researches on smart separator membranes and its underlying transport mechanism, and practical research to upgrade conventional polymer separators.

基于多孔高分子材料的隔膜在电化学能源器件中扮演重要的角色。有关微孔中跨膜离子输运特性的表/界面问题成为制约能源器件性能的关键瓶颈。本项目研究从视网膜、嗜盐菌光电转换及绿色植物光合作用中基于离子通道和离子泵的能量转换过程获得启示，构筑具有非对称结构和化学组成的智能纳米孔道，并以此为组装单元制备宏观的智能隔膜材料，研究外场（包括光，电，pH等）调控下物质和电荷的输运性质及对能源转换过程的影响，并最终组装成为宏观的产能器件。主要研究内容包括：新型光电（能）转换器件（模仿视网膜、嗜盐菌光电转换及绿色植物光合作用），非对称膜结构（非对称结构、电荷分布和界面浸润性），智能响应隔膜（智能孔道的集成与组装）和非水溶剂刺激-响应孔道（面向实际应用的多孔隔膜）。本项目力求在仿生界面功能材料领域取得重点突破，形成基础研究（新颖的通道隔膜和跨膜输运机理）和应用基础研究（对传统电化学电池隔膜的升级改造）的有效衔接。

基于多孔高分子材料的膜在电化学能量转换装置中发挥了重要作用，而离子在微孔中跨膜传输的表面/界面问题已成为制约能量转换装置性能的关键瓶颈。受自然界离子通道和离子泵的能量转换过程的启发，构建了一系列结构和化学成分不对称的智能纳米通道，研究了光、电、pH等外场对物质和电荷输运性质的影响，也用于组装能量转换装置。项目主要就以下几个方面进行了研究：新型光驱动离子泵、不对称膜结构（不对称结构、电荷分布和界面润湿性）、智能响应膜（智能通道的集成与组装）和非水溶剂刺激响应通道（实际应用的锂离子电池隔膜）等。取得的主要成果如下：（1）用含偶氮基团的光敏分子修饰聚合物膜的纳米通道，模拟生物体内的离子泵，实现离子的“上坡”输运，为光驱动分子马达和受控物质输运与分离的研究提供了新的思路；（2）通过对纳米通道的改性，实现了离子或分子在不同pH值、电压或光照条件下的可控传输，对可控释放、整流、过滤和分离的结构设计和器件制作具有重要意义；（3）模拟蛋白质通道对离子的可控传输，利用高分子膜获得高整流比的纳米通道，并利用通道结构和表面电荷协同控制离子传输制备仿生离子二极管器件。利用不对称结构的聚合物膜模拟生物的热传感过程，制备了热电器件，有望在电子皮肤和器件中得到应用。模仿电鳗发电的原理，设计了盐浓度梯度驱动的集能系统，利用海水与河水存在的盐的浓度差收集电能，器件的能量密度达到2.86 W/m2；（4）通过涂布构建非对称纳米通道用于锂离子电池隔膜，涂层与锂金属反应在锂金属电极表面形成钝化保护层，减缓锂和电解液反应的同时调控锂的沉积，使锂以大块状而不是枝晶形态沉积，提高锂金属电池器件的循环和稳定性能，锂-锂电池循环5000小时以上仍然具有稳定的性能，有望在未来的高比能量锂金属电池中得到应用。