导电高分子膜的光动力离子非自发扩散

化学势降低是自然界离子自发扩散的方向。如何实现离子逆化学势的非自发扩散？近日，北京航空航天大学的刘兆阅（点击查看介绍）课题组，以电化学聚合的具有阳离子选择性的导电高分子膜为关键材料，实现了光动力的离子逆化学势迁移。

叶绿体内进行的光合作用是自然界重要的光化学反应之一。在叶绿体的类囊体膜上存在着两个的光系统PS I和PS II。在太阳光照射下，PS II中的光生电子将质体醌还原为质体醌醇，后者将叶绿体基质中的质子逆化学势泵入腔内，并将电子释放到细胞色素b₆f复合物中。这种光动力的质子非自发扩散（即离子泵效应）在类囊体膜上建立质子梯度，用于合成三磷酸腺苷。受光合作用中质子逆化学势扩散的启发，作者在导电高分子膜中实现了光动力的离子非自发扩散。

图1. 光合作用中质子的逆化学势扩散及导电高分子膜中光动力的离子非自发扩散。

聚吡咯是一种典型的共轭导电聚合物，在可见光区具有本征的光电性能。氧化聚吡咯膜中的阳离子聚合物链可静电吸附聚阴离子，使导电高分子膜表面带负电。在前期导电高分子纳米通道研究基础上（Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 2091-2098; Nano Res. 2017, 10, 3715-3725; Adv. Mater. 2018, 30, 1703323; Chem. Commun. 2019, 55, 10023-10026; RSC Adv. 2020, 10, 17079-17084），作者利用恒电位聚合法，在导电金网格上基底上电聚合吡咯单体，并将聚苯乙烯磺酸根掺杂到聚吡咯基体中，得到聚苯乙烯磺酸根掺杂的聚吡咯导电高分子膜。通过控制电化学聚合时间，能够连续调控导电高分子膜的孔径和厚度。能量色散X射线谱、X射线光电子能谱以及红外光谱都表明聚苯乙烯磺酸根成功掺杂到聚吡咯基质中。聚苯乙烯磺酸根的负电荷使导电高分子膜表现出表面电荷控制的离子传输性能。在低浓度电解质条件下，离子导电率基本保持一个常数。通过测量导电高分子膜在不同梯度电解质溶液下的膜电位，可以计算出导电高分子膜的阳离子迁移数大于0.8。可见光下产生的光生电子增加了导电高分子膜表面的负电荷，提高了表面电荷控制的离子电导，使离子电流增加，该导电高分子膜表现出光响应的离子传输性质。

图2. 聚苯乙烯磺酸根掺杂聚吡咯导电高分子膜的形貌表征。

在上述导电高分子膜的一侧施加可见光照射时，聚吡咯中的光致电荷分离使膜两侧的电位产生差异，形成一个横跨导电高分子膜的自建电场。该光生电场为阳离子的逆化学势梯度扩散提供动力，表现出光动力的离子非自发扩散（即离子泵浦效应）。理论模拟进一步证实了阳离子的非自发扩散过程。减少浓度梯度或增加光照强度能够优化导电高分子膜的非自发扩散性能。该工作实现了导电高分子膜中离子的逆化学势迁移，在纳米流体能量转换与储存、离子传输调控以及人工光合作用等方面具有潜在的应用。 

图3. 聚苯乙烯磺酸根掺杂聚吡咯导电高分子膜的光动力离子非自发扩散性质。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上，论文的第一作者是北京航空航天大学博士研究生聂小燕。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Light-Powered Ion Pumping in a Cation-Selective Conducting Polymer Membrane

Xiaoyan Nie, Ziying Hu, Tianliang Xiao, Li Li, Jiao Jin, Kesong Liu, Zhaoyue Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202201138. DOI: 10.1002/anie.202201138

刘兆阅博士简介

刘兆阅博士2005年毕业于吉林大学化学学院。2006年至2009年在日本神奈川科学技术研究院（现神奈川产业技术综合研究所）和美国内华达大学里诺分校从事科研工作，2009年7月起就职于北京航空航天大学。

研究方向为纳米通道限域空间的光电化学、光电催化及能量转换。在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Environ. Sci. Technol.等期刊上发表第一或通讯作者论文47篇，累计被引用2100余次，H因子为21。参与编著《光化学》（化学工业出版社）和《Materials and Processes for Solar Fuel Production》(Springer, USA)。授权中国发明专利10项。承担国家自然科学基金、北京市自然科学基金、航空科学基金、北京市高校青年英才计划、教育部留学回国人员启动基金、北航青年拔尖人才计划以及产学研项目。讲授化学学院本科生《物理化学》和研究生《高等物理化学》课程。在《化学教育》等杂志上发表科教贯通的教改论文5篇。建设北航研究生《高等物理化学》核心课程。 

https://www.x-mol.com/university/faculty/19067