2022年5月20日，Journal ofthe American Chemical Society在线发表了化学学院江雷院士、高龙成副教授团队在高效离子交换膜方面的最新研究成果：“One Porphyrin Per Chain Self-Assembled Helical Ion-Exchange Channelsfor Ultrahigh Osmotic Energy Conversion”。化学学院博士生李超为第一作者，高龙成副教授为通讯作者，北京航空航天大学化学学院为第一单位。
离子交换膜是选择性传输离子的高分子膜，是新能源电池、电解水、海水淡化、电渗析等系统的关键部件。与其他的膜分离过程一样，决定离子交换膜性能的两个关键参数“选择性”和“通量”之间存在难以兼顾的矛盾（trade-off effect）。在传统的设计中，为实现高的离子通量，尽可能的增大高分子链上离子基团的含量，使其形成互通的离子簇网络。但是，高离子基团含量导致薄膜溶胀率增加，会降低膜的离子选择性。因此，如何平衡“选择性-通量”的矛盾是学术界和工业界持续关注的难题。
为了解决这一难题，高龙成副教授课题组反其道而行之，利用最少的基团，使其有效地组织起来，形成局部的优势，达到了“以少胜多”的效果。具体的，通过可控聚合制备了卟啉为核的星型嵌段共聚物，一个高分子链上仅有一个卟啉基团，离子交换容量（~10-2meq·g-1）比传统离子交换膜低两个数量级。在跨级弱作用力（卟啉的π-π堆叠和嵌段的微相分离）的协同作用下，“一步法”实现了高密度的卟啉螺旋通道（面密度高达1011cm-1）。高密度离子通道保障了高的离子通量，同时，因其极低的离子基团含量，薄膜的溶胀得以有效抑制，从而薄膜兼具高的离子选择性。
高密度螺旋卟啉通道膜的设计思路
离子交换膜“以少胜多”的设计理念在盐差电池中得到验证，在50倍的浓度梯度下实现了19.3 W·m-2的功率密度，比传统离子交换膜高一个数量级。这种反传统的设计理念将推动新一代离子交换膜的开发。
该工作得到江雷院士的指导和深圳湾实验室姜和明博士的大力帮助。