2022年5月20日，Journal ofthe American Chemical Society在線發表了化學學院江雷院士、高龍成副教授團隊在高效離子交換膜方面的最新研究成果：“One Porphyrin Per Chain Self-Assembled Helical Ion-Exchange Channelsfor Ultrahigh Osmotic Energy Conversion”?；瘜W學院博士生李超為第一作者，高龍成副教授為通訊作者，北京航空航天大學化學學院為第一單位。
離子交換膜是選擇性傳輸離子的高分子膜，是新能源電池、電解水、海水淡化、電滲析等系統的關鍵部件。與其他的膜分離過程一樣，決定離子交換膜性能的兩個關鍵參數“選擇性”和“通量”之間存在難以兼顧的矛盾（trade-off effect）。在傳統的設計中，為實現高的離子通量，盡可能的增大高分子鏈上離子基團的含量，使其形成互通的離子簇網絡。但是，高離子基團含量導致薄膜溶脹率增加，會降低膜的離子選擇性。因此，如何平衡“選擇性-通量”的矛盾是學術界和工業界持續關注的難題。
為了解決這一難題，高龍成副教授課題組反其道而行之，利用最少的基團，使其有效地組織起來，形成局部的優勢，達到了“以少勝多”的效果。具體的，通過可控聚合制備了卟啉為核的星型嵌段共聚物，一個高分子鏈上僅有一個卟啉基團，離子交換容量（~10-2meq·g-1）比傳統離子交換膜低兩個數量級。在跨級弱作用力（卟啉的π-π堆疊和嵌段的微相分離）的協同作用下，“一步法”實現了高密度的卟啉螺旋通道（面密度高達1011cm-1）。高密度離子通道保障了高的離子通量，同時，因其極低的離子基團含量，薄膜的溶脹得以有效抑制，從而薄膜兼具高的離子選擇性。
高密度螺旋卟啉通道膜的設計思路
離子交換膜“以少勝多”的設計理念在鹽差電池中得到驗證，在50倍的濃度梯度下實現了19.3 W·m-2的功率密度，比傳統離子交換膜高一個數量級。這種反傳統的設計理念將推動新一代離子交換膜的開發。
該工作得到江雷院士的指導和深圳灣實驗室姜和明博士的大力幫助。