[發明專利]一種親離子疏水分子的水系納米孔道分離膜及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201911382996.6
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN113041860B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 聞利平;孫悅;江雷
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: B01D71/64
• 分類號: B01D71/64;B01D71/36;B01D69/00;B01D69/02;H01M50/414;H01M50/423;H01M50/417;H01M50/426;H01M50/489;H01M10/36
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 謝蓉;呂少楠

本發明公開一種親離子疏水分子的水系納米孔道分離膜及其制備方法與應用。水系分離膜包括親離子疏水分子且具有納米孔道的聚合物膜，以及填充在所述納米孔道中的液態有機物，所述的離子為陽離子或陰離子，優選為陽離子，更優選為堿金屬陽離子。本發明利用不溶于水的液態有機物填充進納米通道中，從而促進了離子的傳遞，同時有效地抑制了水分子的傳遞，利用膜內部納米通道的孔徑，對多種離子進行選擇性傳輸。本方法制備過程簡單，在納流器件領域具有多種功能化用途。同時，本方法能夠有效地降低了電池中電解液的濃度，降低電池制造成本，在水系離子電池等領域中具有良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于納米孔道膜、膜分離技術以及電化學領域，具體涉及一種親離子疏水分子的水系納米孔道分離膜及其制備方法與應用。

背景技術

在自然界的生命體中，存在著多種類型的離子傳輸納米通道，其在生命活動的正常運轉中發揮著各自獨特的作用。生物體快速響應的趨利避害行為是由極其快速的神經傳輸行為保證的，而蛋白質通道作為一類具有優良性能的非對稱物質傳輸孔道，其內部的離子快速傳導是這一基本生理現象的前提。例如，電壓激活的鉀離子通道蛋白，通過其開口處帶電的p環結構和中間腔體的限域空間，在保持離子種類精準篩分的前提下，保證了離子的高速傳導，即，能夠實現10⁷個/秒的通量。然而快速離子傳導體系在體相溶液中是難以實現的，因此嚴重地限制了相關技術的發展。因此一種可以在液相納米限域體系中實現離子高速傳導的系統成為了相關領域的研發重點之一。研究人員在對自然界中生物體的構效關系進行深層次的研究后，采用了納米技術、分子生物學、界面化學等方法對生命體的離子傳輸通道的結構以及智能化進行仿生學的研究，從而實現模仿生命體中的納米孔道的目的。

人工納米孔道作為一種穩定的通道，因為其具有形狀和表面化學組成的可控性，為設計仿生納米孔道提供了良好的研究平臺，因此利用納米孔道修飾，使其具有仿生功能的納米孔道成為了研究的重點之一。而如何通過利用具有仿生功能的納米孔道實現離子的高速傳輸，成為亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明提供一種水系分離膜，包括親離子疏水分子且具有納米孔道的聚合物膜，以及填充在所述納米孔道中的液態有機物。其中，所述的離子可以為陽離子或陰離子，優選為陽離子，更優選為堿金屬陽離子，示例性為Li⁺、Na⁺或K⁺。

根據本發明的技術方案，所述納米孔道可以為圓錐形孔道、圓柱形孔道、啞鈴形孔道、沙漏形孔道、雪茄型孔道、漏斗形孔道、網狀孔道或子彈形孔道等；例如為兩端孔徑大小不一致的圓錐形孔道，進一步地，所述圓錐形孔的孔徑范圍在4-600nm之間，例如大孔端的孔徑為400-600nm或450-550nm，小孔端的孔徑為4-7nm、10-50nm、80-150nm或200-300nm。又如所述納米孔道可以為陣列排布或非陣列排布的纖維狀納米孔道，優選為陣列排布的纖維狀納米孔道，其孔徑為0.01-300μm。本領域技術人員能夠理解，對于納米孔道，其孔道長度通常明顯大于孔徑。

根據本發明的技術方案，所述納米孔道可以為仿生納米孔道，其具有能夠實現生物蛋白通道的離子選擇性、離子整流性和離子泵等特殊離子輸運性質。

根據本發明的技術方案，所述水系分離膜中的納米孔道的數量至少為一條，例如可以為單孔道或多孔道。進一步地，所述多孔道可以為陣列排布或非陣列排布。

根據本發明的技術方案，所述水系分離膜的厚度可以為5-15μm，例如9-12μm。

根據本發明的技術方案，所述水系分離膜的比表面積為2-10mg/cm²，例如3-4mg/cm²，示例性為3mg/cm²。