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Nature volume 617, pages 299-305 (2023)Citer cet article

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L’amélioration des processus de séparation et des technologies électrochimiques telles que les électrolyseurs d’eau1,2, les piles à combustible3,4, les batteries à flux redox5,6 et l’électrodialyse par capture d’ions7 dépend du développement de membranes de transport d’ions à faible résistance et haute sélectivité. Le transport des ions à travers ces membranes dépend des barrières énergétiques globales imposées par l’interaction collective de l’architecture des pores et de l’interaction pore-analyte8,9. Cependant, il reste difficile de concevoir des membranes de transport d'ions sélectives efficaces, évolutives et peu coûteuses, fournissant des canaux ioniques pour un transport à faible barrière énergétique. Nous poursuivons ici une stratégie qui permet d'approcher la limite de diffusion des ions dans l'eau pour des membranes synthétiques autonomes de grande surface utilisant des structures polymères liées de manière covalente avec des canaux ioniques confinés par rigidité. Le flux ionique quasiment sans friction est assuré de manière synergique par un confinement robuste des micropores et une multi-interaction entre l'ion et la membrane, qui permettent, par exemple, un coefficient de diffusion Na+ de 1,18 × 10−9 m2 s–1, proche de la valeur de l'eau pure. à dilution infinie et une résistance de membrane spécifique à une zone aussi faible que 0,17 Ω cm2. Nous démontrons des membranes très efficaces pour charger rapidement des batteries à flux redox organique aqueux qui offrent à la fois un rendement énergétique élevé et une utilisation de grande capacité à des densités de courant extrêmement élevées (jusqu'à 500 mA cm-2), et qui évitent également la décroissance de capacité induite par le croisement. Ce concept de conception de membrane peut être largement applicable aux membranes destinées à une large gamme de dispositifs électrochimiques et à une séparation moléculaire précise.

Les membranes de transport d'ions sélectives sont des composants clés des technologies d'énergie propre, y compris les processus de séparation et de purification à grande échelle et économes en énergie et, bien sûr, les dispositifs électrochimiques aussi divers que les électrolyseurs de CO2 et les électrolyseurs d'eau1,2,10, le carburant H2/O2. cellules3,4, batteries à flux redox5,6, électrodialyse par capture d'ions7 et ainsi de suite. Dans tous ces systèmes électrochimiques bien établis et émergents, les séparateurs membranaires transportent les ions et isolent les réactions électrochimiques dans deux demi-cellules, leur efficacité dépend de la capacité des séparateurs membranaires à effectuer un transport rapide et sélectif des ions5,11,12. Le transport des ions à travers les membranes à des échelles subnanométriques dépend des barrières énergétiques globales, qui sont déterminées par le nanoconfinement dans des vides en volume libre et par les interactions pores-ions8,9. Par conséquent, la construction de canaux ioniques dotés de barrières à faible énergie est impérative pour le développement de membranes hautes performances dans les processus électrochimiques.

Les matériaux polymères dominent l’utilisation de membranes de transport d’ions sélectives dans des modules pratiques à toutes les échelles, en raison de leur combinaison idéale de faible coût, d’évolutivité de fabrication et de faible encombrement. Les matériaux polymères conventionnels, représentés par le perfluorocarbone Nafion et les polyélectrolytes à base d'hydrocarbures récemment développés, forment des régions conductrices d'ions via une séparation microphase . Cependant, ces régions sont mal définies et sujettes à un gonflement pouvant atteindre plusieurs nanomètres après hydratation, ce qui peut faciliter la diffusion des ions mais également entraîner une mauvaise sélectivité (Fig. 1a et Fig. 1 supplémentaire). La perspective émergente consiste à limiter la taille des vides du volume des pores, c'est-à-dire à augmenter la rigidité du squelette polymère et à réduire le mouvement thermique du segment polymère, afin de garantir une bonne sélectivité de taille pour un transport rapide des ions. En particulier, les polymères semi-rigides de microporosité intrinsèque (PIM; Fig. 1b) transformables en solution émergent en tant que membranes de séparation de molécules et de transport d'ions de nouvelle génération 18, 19, 20, 21, 22, 23, bénéficiant de la taille- sélectivité induite par l'exclusion et perméabilité induite par le volume libre. Cependant, ces PIM semi-rigides et sans réseau peuvent vieillir et, à teneur élevée en fonctionnalités chargées, peuvent subir un gonflement sévère entraînant une diminution de la sélectivité21,24,25.