近日，青海盐湖所溶液化学课题组李东东副研究员在离子交换膜（IEM）输运理论研究领域取得新进展。相关成果以 “From ion partitioning to ion transport: Scaling invariance of the charged polymer network in ion exchange membrane” 为题，发表于国际Top期刊《Desalination》（2026, 627, 119997）。该研究在前期标度正规溶液理论基础上，首次揭示了荷电聚合物网络的标度不变性，建立了离子分配与膜导电性之间的定量关联，为突破离子选择性与通量的 “权衡效应” 提供了全新理论支撑。
离子交换膜作为海水淡化、盐湖提锂、燃料电池等关键技术的核心材料，其性能瓶颈在于离子选择性与导电通量之间的固有矛盾。传统理论多将膜内离子输运简化为稀溶液中的长程静电作用，难以解释实际浓溶液工况下的复杂输运行为。此前李东东副研究员提出的 “标度正规溶液理论” 已成功统一描述了 59 种体系的离子活度系数数据（Thermodynamics of Mobile Ion in Ion Exchange Membranes: Water-Swollen-Membrane Reference State and Quasi-Regular Solution Model, Journal of Physical Chemistry B, 2025, 129, 19, 4794-4810），而本次研究进一步将该理论从热力学平衡拓展至动力学输运领域，实现了从 “离子分配” 到 “离子输运” 的理论贯通。
研究团队采用改进型电化学阻抗谱（EIS）直接接触法，系统测定了商用 CR61 和 CMI-7000S 膜在 0.003 mol/L 至近饱和浓度的碱金属氯化物溶液中的导电性。通过设计带塑料防护罩的测试装置，有效抑制了膜的水分流失，获得了高重现性的实验数据。结果表明，膜导电性对外界盐浓度高度敏感，在低于 0.1 mol/L 的稀溶液区域 conductivity 快速攀升，而这一趋势无法被传统的 Mackie-Meares 模型、Manning 理论及其修正版本等五种均相模型完整描述。
基于标度正规溶液（SRS）理论框架，研究团队提出：膜内未凝聚反离子的扩散遵循静电加速跳跃机制，其本征扩散系数可达水溶液中的 20 倍，暗示高电荷密度低曲折度纳米通道中可能存在 “负摩擦” 输运现象。关键创新在于发现了荷电聚合物网络的标度不变性 —— 利用离子分配平衡数据确定的标度因子 β，可直接用于膜导电性的定量关联，无需额外拟合参数。这一发现证实了膜的拓扑结构对离子输运的主导作用，标度因子 β 与加速参数 αSRS 共同构成了离子交换膜设计的核心理论坐标。
实验与理论分析表明，膜导电性并非膜材料的固有属性，而是膜−离子−溶液体系的综合特性，受反离子水合性质、聚合物网络拓扑、电荷密度及溶液浓度多重因素调控。弱水合反离子（如 K⁺、Rb⁺、Cs⁺）在静电势阱作用下输运加速更显著，而适度的水含量与电荷密度（如 CR61 膜的离子交换容量约 3 mol/kg吸收水）更有利于实现高速离子输运。这为设计超高导电性离子交换膜提供了明确方向：需在聚合物网络拓扑、曲折度、电荷密度与工作溶液之间寻求最佳平衡。
该研究得到中国科学院西部之光计划、青海省昆仑英才计划和中国科学院 B 类先导专项的联合资助。成果不仅深化了对膜内离子输运机制的理解，更建立了热力学平衡与动力学输运的理论桥梁，为下一代高性能离子交换膜的理性设计提供了关键技术支撑。
图1. 迂曲的高电荷密度纳米离子传输通道内的“反离子异常传输增强”机制示意图及其与其它离子传输机制（纯水溶液和之前认为的膜内离子传输机制）的差异
审核：葛飞