近日，青海鹽湖所溶液化學課題組李東東副研究員在離子交換膜（IEM）輸運理論研究領域取得新進展。相關成果以 “From ion partitioning to ion transport: Scaling invariance of the charged polymer network in ion exchange membrane” 為題，發(fā)表于國際Top期刊《Desalination》（2026, 627, 119997）。該研究在前期標度正規(guī)溶液理論基礎上，首次揭示了荷電聚合物網(wǎng)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(lián)，為突破離子選擇性與通量的 “權衡效應” 提供了全新理論支撐。

離子交換膜作為海水淡化、鹽湖提鋰、燃料電池等關鍵技術的核心材料，其性能瓶頸在于離子選擇性與導電通量之間的固有矛盾。傳統(tǒng)理論多將膜內(nèi)離子輸運簡化為稀溶液中的長程靜電作用，難以解釋實際濃溶液工況下的復雜輸運行為。此前李東東副研究員提出的 “標度正規(guī)溶液理論” 已成功統(tǒng)一描述了 59 種體系的離子活度系數(shù)數(shù)據(jù)（Thermodynamics of Mobile Ion in Ion Exchange Membranes: Water-Swollen-Membrane Reference State and Quasi-Regular Solution Model, Journal of Physical Chemistry B, 2025, 129, 19, 4794-4810），而本次研究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(xiàn)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(tǒng)測定了商用 CR61 和 CMI-7000S 膜在 0.003 mol/L 至近飽和濃度的堿金屬氯化物溶液中的導電性。通過設計帶塑料防護罩的測試裝置，有效抑制了膜的水分流失，獲得了高重現(xiàn)性的實驗數(shù)據(jù)。結果表明，膜導電性對外界鹽濃度高度敏感，在低于 0.1 mol/L 的稀溶液區(qū)域 conductivity 快速攀升，而這一趨勢無法被傳統(tǒng)的 Mackie-Meares 模型、Manning 理論及其修正版本等五種均相模型完整描述。

基于標度正規(guī)溶液（SRS）理論框架，研究團隊提出：膜內(nèi)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(shù)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(xiàn)象。關鍵創(chuàng)新在于發(fā)現(xiàn)了荷電聚合物網(wǎng)絡的標度不變性 —— 利用離子分配平衡數(shù)據(jù)確定的標度因子 β，可直接用于膜導電性的定量關聯(lián)，無需額外擬合參數(shù)。這一發(fā)現(xiàn)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(shù) 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(zhì)、聚合物網(wǎng)絡拓撲、電荷密度及溶液濃度多重因素調(diào)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（如 CR61 膜的離子交換容量約 3 mol/kg吸收水）更有利于實現(xiàn)高速離子輸運。這為設計超高導電性離子交換膜提供了明確方向：需在聚合物網(wǎng)絡拓撲、曲折度、電荷密度與工作溶液之間尋求最佳平衡。

該研究得到中國科學院西部之光計劃、青海省昆侖英才計劃和中國科學院 B 類先導專項的聯(lián)合資助。成果不僅深化了對膜內(nèi)離子輸運機制的理解，更建立了熱力學平衡與動力學輸運的理論橋梁，為下一代高性能離子交換膜的理性設計提供了關鍵技術支撐。

圖1. 迂曲的高電荷密度納米離子傳輸通道內(nèi)的“反離子異常傳輸增強”機制示意圖及其與其它離子傳輸機制（純水溶液和之前認為的膜內(nèi)離子傳輸機制）的差異

審核：葛飛