《仿生納米通道智慧型隔膜的能量轉換特性研究》是依託北京師範大學，由李林擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：仿生納米通道智慧型隔膜的能量轉換特性研究
- 依託單位：北京師範大學
- 項目負責人：李林
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於多孔高分子材料的隔膜在電化學能源器件中扮演重要的角色。有關微孔中跨膜離子輸運特性的表/界面問題成為制約能源器件性能的關鍵瓶頸。本項目研究從視網膜、嗜鹽菌光電轉換及綠色植物光合作用中基於離子通道和離子泵的能量轉換過程獲得啟示，構築具有非對稱結構和化學組成的智慧型納米孔道，並以此為組裝單元製備巨觀的智慧型隔膜材料，研究外場（包括光，電，pH等）調控下物質和電荷的輸運性質及對能源轉換過程的影響，並最終組裝成為巨觀的產能器件。主要研究內容包括：新型光電（能）轉換器件（模仿視網膜、嗜鹽菌光電轉換及綠色植物光合作用），非對稱膜結構（非對稱結構、電荷分布和界面浸潤性），智慧型回響隔膜（智慧型孔道的集成與組裝）和非水溶劑刺激-回響孔道（面向實際套用的多孔隔膜）。本項目力求在仿生界面功能材料領域取得重點突破，形成基礎研究（新穎的通道隔膜和跨膜輸運機理）和套用基礎研究（對傳統電化學電池隔膜的升級改造）的有效銜接。
結題摘要
基於多孔高分子材料的膜在電化學能量轉換裝置中發揮了重要作用，而離子在微孔中跨膜傳輸的表面/界面問題已成為制約能量轉換裝置性能的關鍵瓶頸。受自然界離子通道和離子泵的能量轉換過程的啟發，構建了一系列結構和化學成分不對稱的智慧型納米通道，研究了光、電、pH等外場對物質和電荷輸運性質的影響，也用於組裝能量轉換裝置。項目主要就以下幾個方面進行了研究：新型光碟機動離子泵、不對稱膜結構（不對稱結構、電荷分布和界面潤濕性）、智慧型回響膜（智慧型通道的集成與組裝）和非水溶劑刺激回響通道（實際套用的鋰離子電池隔膜）等。取得的主要成果如下：（1）用含偶氮基團的光敏分子修飾聚合物膜的納米通道，模擬生物體內的離子泵，實現離子的“上坡”輸運，為光碟機動分子馬達和受控物質輸運與分離的研究提供了新的思路；（2）通過對納米通道的改性，實現了離子或分子在不同pH值、電壓或光照條件下的可控傳輸，對可控釋放、整流、過濾和分離的結構設計和器件製作具有重要意義；（3）模擬蛋白質通道對離子的可控傳輸，利用高分子膜獲得高整流比的納米通道，並利用通道結構和表面電荷協同控制離子傳輸製備仿生離子二極體器件。利用不對稱結構的聚合物膜模擬生物的熱感測過程，製備了熱電器件，有望在電子皮膚和器件中得到套用。模仿電鰻發電的原理，設計了鹽濃度梯度驅動的集能系統，利用海水與河水存在的鹽的濃度差收集電能，器件的能量密度達到2.86 W/m2；（4）通過塗布構建非對稱納米通道用於鋰離子電池隔膜，塗層與鋰金屬反應在鋰金屬電極表面形成鈍化保護層，減緩鋰和電解液反應的同時調控鋰的沉積，使鋰以大塊狀而不是枝晶形態沉積，提高鋰金屬電池器件的循環和穩定性能，鋰-鋰電池循環5000小時以上仍然具有穩定的性能，有望在未來的高比能量鋰金屬電池中得到套用。
