這篇題為“納米級裂縫可調(diào)節(jié)的自增濕膜”（“Nanocrack-regulated self-humidifying membranes”）的研究論文是邁克爾教授與韓國漢陽大學(xué)李永墨（Young Moo Lee音譯）教授合作完成的。研究圍繞離子交換膜在高溫低濕狀態(tài)下由于膜失水而導(dǎo)致的離子電導(dǎo)率大幅降低的科學(xué)難題，從納米級可調(diào)節(jié)裂縫疏水涂層進(jìn)行膜表面改性的基本理論出發(fā)，成功制備了高溫低濕條件下具有高離子電導(dǎo)率的自保濕碳?xì)渚酆衔镫x子交換膜。
a. 吸水/失水過程中自控調(diào)節(jié)的納米裂縫疏水涂層；b. 等離子噴涂疏水層前后膜吸水溶脹及失水收縮后的納米裂縫原子力顯微鏡相圖；c. 吸水和失水條件下納米級表面涂層的自調(diào)節(jié)驗(yàn)證對比圖
聚合物膜在離子導(dǎo)電、水過濾、反向電滲析發(fā)電、能量儲存與轉(zhuǎn)換以及液流電池領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。由于聚合物電解質(zhì)膜的含水量直接影響著膜內(nèi)離子的傳輸行為，大多數(shù)應(yīng)用都要求膜在相對干燥的條件下仍具有一定的保濕能力。因此膜內(nèi)水含量的可調(diào)節(jié)性在質(zhì)子交換膜燃料電池和反向電滲析應(yīng)用中尤其重要。研究者往往通過外部增濕系統(tǒng)來保證高溫條件下膜的保水能力，但是整體上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，也成為多年來制約工業(yè)界質(zhì)子交換膜燃料電池規(guī)；瘧(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一。為了改善高溫低濕條件下由于膜內(nèi)水分減少導(dǎo)致電導(dǎo)率下降的世界性科學(xué)難題，近幾十年來，科學(xué)家們試圖從調(diào)整聚合物高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀形貌甚至大分子的鏈段組成來實(shí)現(xiàn)膜內(nèi)親疏水特性的完美結(jié)合，但最終并沒有從根本上解決高溫下膜保水能力大幅下降的問題。
邁克爾教授等研究者開創(chuàng)性地提出了一種無需外增濕系統(tǒng)的智能自調(diào)節(jié)保水膜表面改性方法，該方法可應(yīng)用于任何離子交換膜的表面改性。通過在膜表面噴涂具有疏水性的納米級涂層，利用膜本身在吸水后的膨脹和失水后的收縮特性實(shí)現(xiàn)高保水能力。高濕度時，膜膨脹將疏水涂層撐開，形成較寬的納米級裂縫，從而保證水和離子的傳輸通道暢通，此時涂層為開放涂層，水和離子可同時在膜內(nèi)部及納米裂縫中間自由傳輸；低濕度時，膜收縮將疏水涂層裂縫閉合，起到將膜內(nèi)部的水封閉的作用，此時涂層為封閉涂層，納米級裂縫充當(dāng)了阻止膜內(nèi)部的水分進(jìn)一步蒸發(fā)流失的“納米級閥門”角色。實(shí)驗(yàn)證明，這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)顯著提高了離子交換膜在高溫低濕環(huán)境中的離子傳輸能力。
這種巧妙的膜表面改性設(shè)計(jì)理念得到了國際著名學(xué)者的廣泛關(guān)注和好評。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校德克薩斯材料研究所、能源和環(huán)境資源中心的著名學(xué)者約萬凱莫斯（Jovan Kamcev音譯）和本尼弗里曼（Benny D. Freeman音譯）在《自然》同期“研究新聞評論”（“Research News & Views”）中對于邁克爾等人的文章進(jìn)行了點(diǎn)評，指出該“有裂縫的涂層防止膜在低濕干燥條件下的失水——是需要保濕膜的燃料電池裝置的福音”。同時強(qiáng)調(diào)：“該膜在這種低濕度時控制離子交換膜脫水，突破了限制膜性能的科學(xué)瓶頸，是一項(xiàng)強(qiáng)有力的技術(shù)方法”。并指出：“此項(xiàng)技術(shù)將為應(yīng)用在各種領(lǐng)域的高性能膜材料的進(jìn)步起到重要的貢獻(xiàn)”。
文章鏈接：www.nature.com/nature/journal/v532/n7600/full/nature17634.html
