Hydrophilic microporous membranes for selective ion separation and flow-battery energy storage

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作者
Rui Tan,Anqi Wang,Richard Malpass‐Evans,Rhodri Williams,Evan Wenbo Zhao,Tao Liu,Chunchun Ye,Xiaoqun Zhou,Barbara Primera Darwich,Zhiyu Fan,Lukas Turcani,Edward Jackson,Linjiang Chen,Samantha Y. Chong,Tao Li,Kim E. Jelfs,Andrew I. Cooper,Nigel P. Brandon,Clare P. Grey,Neil B. McKeown
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:19 (2): 195-202 被引量:441
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0536-8
摘要

Membranes with fast and selective ion transport are widely used for water purification and devices for energy conversion and storage including fuel cells, redox flow batteries and electrochemical reactors. However, it remains challenging to design cost-effective, easily processed ion-conductive membranes with well-defined pore architectures. Here, we report a new approach to designing membranes with narrow molecular-sized channels and hydrophilic functionality that enable fast transport of salt ions and high size-exclusion selectivity towards small organic molecules. These membranes, based on polymers of intrinsic microporosity containing Tröger’s base or amidoxime groups, demonstrate that exquisite control over subnanometre pore structure, the introduction of hydrophilic functional groups and thickness control all play important roles in achieving fast ion transport combined with high molecular selectivity. These membranes enable aqueous organic flow batteries with high energy efficiency and high capacity retention, suggesting their utility for a variety of energy-related devices and water purification processes. Ion-selective membranes are widely used for water purification and electrochemical energy devices but designing their pore architectures is challenging. Membranes with narrow channels and hydrophilic functionality are shown to exhibit salt ions transport and selectivity towards small organic molecules.
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