水多未必好：離子傳導膜的新發現，推動清潔能源技術革新

芝加哥大學普利茲克分子工程學院（UChicago PME）與紐約大學坦登工程學院的研究團隊，在理解水如何協助帶電離子透過清潔能源技術中的關鍵元件方面取得了重大突破。這項研究對燃料電池和氧化還原液流電池等技術的發展具有重要意義。

過去，科學家普遍認為，這種被稱為陰離子交換膜（AEM）的元件需要大量自由流動的水才能有效運作，但這會導致膜結構隨時間推移而弱化。然而，最新研究顯示，快速的離子傳導並不需要過多的自由水。相反，AEM可以透過使用適量的水來最佳化，這些水能在膜內形成良好的水分子網路，同時確保離子周圍有動態的水殼層。這項研究已發表於《自然通訊》期刊。

「我們的研究挑戰了長期以來的觀念，即能源膜中的快速離子傳導需要過量的自由水——事實上，關鍵在於水網路的結構，而不僅僅是水量，」芝加哥大學普利茲克分子工程學院的保羅·尼利教授表示，他是這篇新論文的資深作者之一。

「這項研究為我們提供了最佳化能源膜的分子級藍圖，使我們離更高效的燃料電池、更好的電池和更可持續的能源儲存解決方案更近一步，」前芝加哥大學普利茲克分子工程學院教授、現任紐約大學教授的胡安·德·巴布羅補充道，他也是這篇論文的資深作者。

AEM是一種嵌入帶正電分子的薄型特殊材料。這些帶正電分子能吸引並引導帶負電的離子（稱為陰離子）透過膜，同時排斥帶正電的離子（稱為陽離子）。這些膜被用於各種電化學裝置中，利用AEM產生的電荷差異來驅動其他反應，例如在燃料電池中將化學能轉化為電能，或在水電解槽中分解水以生產清潔燃料。

AEM的效率取決於離子透過它們的能力，而科學家早已知道水有助於離子流動。然而，在電化學裝置中保持高水平的自由流動水會限制其在低濕度環境中的使用，並可能導致AEM結構膨脹、拉伸和弱化。

在這項新研究中，研究人員將AEM效率的實驗資料與系統內分子行為的電腦模擬相結合，以更好地理解水的作用。他們使用先進的二維紅外光譜（2D IR）來捕捉快速的水分子動態。

「透過整合這些方法，我們可以精確模擬AEM周圍水分子的行為，時間尺度達到皮秒級，」芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究生、共同第一作者孫格表示。

研究團隊發現，被AEM吸收的水分子在其結構內形成了一個氫鍵網路。這個網路以及離子周圍的水殼層——而非過量的自由水——幫助離子高效移動。當水量最低時，由於氫鍵網路不完整，需要大量能量才能讓離子透過AEM。隨著水量增加，氫鍵網路變得更加結構化，離子移動所需的能量顯著降低。

「我們觀察到，即使沒有高水量，離子傳導性和離子跨膜傳輸也能得到提升。這是因為水網路結構良好，第二層的水分子能迅速調整其方向，」孫格解釋道。

過去，工程師在設計AEM時傾向於使用比必要更多的水。這項新研究結果表明，有一種更好的方法來最佳化使用這些膜的電化學裝置中的水量。

「透過揭示水分子在這些膜內部的組織方式，我們可以設計出即使在低濕度環境下也能高效運作的下一代材料，使清潔能源技術更加實用和耐用，」芝加哥大學普利茲克分子工程學院的助理教授、研究共同作者沙雷什·帕特爾表示。

這項工作的關鍵進展在於依賴2D IR，結合精密的分子模型，來闡明這些系統中水分子動態的細節。這項研究中使用的實驗資料與模擬的新組合，提供了一個強大的框架，可應用於許多其他涉及分子運動理解的科學挑戰。