清華化工系Nature！蘇州大學Science！

來源：化學加APP 2026-06-22

導讀：清華大學化工系劉凱、王保國團隊與合作者在超分子策略構筑動態納米孔道實現高效離子傳導

1、清華大學化工系劉凱、王保國團隊與合作者在超分子策略構筑動態納米孔道實現高效離子傳導

近日，清華大學化學工程系劉凱副教授、王保國教授團隊聯合萊斯大學，提出了一種利用超分子主客體化學在聚合物膜中構筑動態納米孔道的新策略。研究團隊將剛性大環分子葫蘆[7]脲（CB[7]）與陽離子聚合物通過非共價相互作用進行共組裝，在不改變聚合物主鏈化學結構的前提下，獲得了兼具高離子傳導性與優異力學穩定性的陰離子傳導膜，為電化學能源器件提供了新型膜材料平臺。

陰離子傳導膜是堿性電解水制氫、燃料電池、CO?電化學轉化等清潔能源技術的關鍵材料。傳統膜材料依賴高分子鏈段的微相分離形成離子傳導通道，但這種自發形成的通道隨機且不連續，在高電流密度下產生顯著的傳質阻力?，F有的造孔策略，如自具微孔聚合物的骨架扭曲或共價有機框架的拓撲構筑，雖能引入納米級孔道，但構筑微孔所需的特殊化學結構往往削弱膜的力學強度和化學耐久性。

針對這一挑戰，研究團隊提出“超分子誘導納米孔”的創新設計理念。CB[7]與聚合物側鏈上季銨陽離子之間的陽離子-偶極相互作用，使CB[7]定點錨定在高分子鏈的帶電位點上，其剛性骨架在相鄰聚合物鏈之間起到“分子楔”的作用，將鏈間距撐開，形成均勻的納米級孔道網絡。正電子湮沒壽命譜（PALS）測定表明，納米孔道尺寸約為1納米，與CB[7]的外徑匹配，說明CB[7]是作為鏈間支撐體創造傳導性孔隙，而非以自身內腔作為貫穿性通道。同步輻射廣角X射線散射、CO?吸附和納米紅外成像等多種手段共同證實了這一孔道網絡的存在。該策略在聚苯醚和聚氟芳醚等不同骨架體系中均可誘導出類似的納米孔隙，表明其構孔原理具有普適性。同時，CB[7]在膜中扮演超分子交聯劑的角色，顯著提升了膜的力學性能，且材料在反復干濕循環后保持穩定。

圖. 超分子陰離子傳導膜的設計與性能。左：剛性大環分子葫蘆[7]脲（CB[7]）通過主客體相互作用錨定在聚合物陽離子位點上，在鏈間形成納米級離子傳輸通道；中：大面積膜（20 cm × 30 cm）實物照片及CB[7]與陽離子基團的靜電勢互補；右上：超分子交聯顯著提升膜的力學性能；右下：納米孔道膜中Grotthuss機制對氫氧根電導率的貢獻大幅增強。

這些納米孔道的突出特征在于其動態行為。CB[7]與陽離子基團之間的非共價鍵合可以在皮秒時間尺度上瞬時解離和重組，使孔壁在埃級空間尺度上發生漲落。準彈性中子散射（QENS）實驗直接觀測到了這種加速的鏈段運動。分子動力學模擬顯示，孔道直徑持續漲落，但統計平均值保持穩定，呈現出“全局穩定、局域動態”的結構特征。這種動態孔道深刻改變了離子傳輸機制。研究團隊在將氫氧根電導率分解為載體機制和Grotthuss機制后，繼續將納米孔道膜中Grotthuss的貢獻提升了數倍，表明孔道內連續的氫鍵水網絡為氫氧根提供了高效的質子接力傳輸路徑。增強采樣分子動力學模擬進一步表明，孔壁的動態柔性通過熱漲落開辟了瞬態低勢壘通道，有效降低了離子傳輸的自由能壁壘。

研究團隊將該膜組裝進堿性電解水裝置進行了系統驗證，在不同堿度條件下均展現出優于商業陰離子交換膜的性能，并在高電流密度條件下穩定運行超過千小時。該膜可通過溶液刮涂法制備大面積薄膜，具備工程放大的可行性。

相關成果以“具有超分子納米孔的葫蘆脲基陰離子傳導膜”（Cucurbituril-based anion-conducting membranes with supramolecular nanopores）為題，于6月17日在線發表于《自然》（Nature）。

清華大學化工系2024屆博士畢業生徐子昂，化工系2022級博士生林董澄、2023級博士生尹浩宇，清華大學合肥公共安全研究院助理研究員馮青青為論文共同第一作者；化工系劉凱副教授、王保國教授和萊斯大學汪淏田教授為論文共同通訊作者。

研究得到國家自然科學基金青年科學基金、教育部基礎學科和交叉學科突破計劃、國家自然科學基金面上項目等資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10666-6

2、Science+1！蘇大科研團隊聯合企業開發無銦疊層光伏電池

近日，蘇州大學張曉宏教授、楊新波教授團隊聯合澳大利亞莫那什大學、正泰新能、博達新能和邁為科技等光伏領軍企業的研究論文“Indium-Free Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells with Tin Oxide Recombination Layer and Electrodes”，在國際學術期刊《科學》（Science）上線。該工作以蘇州大學為第一單位發表，第一作者為我校與莫納什大學聯合培養博士生施偉，通訊作者為張曉宏教授、楊新波教授、莫納什大學程淵教授和正泰新能研發總監李子佳博士。

傳統鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池結構中，銦基透明導電氧化物（例如ITO和IZO）被廣泛用作復合層和電極。然而，這一主流技術路線一直面臨兩大核心痛點。首先，銦屬于稀有元素，全球儲量十分有限，高昂的價格制約了疊層電池的大規模量產。其次，傳統的磁控濺射沉積工藝極易對底層脆弱的功能層造成破壞，限制了疊層器件整體性能和良率。

為了攻克上述難題，研究團隊創新性地開發了低損傷反應等離子體沉積（RPD）技術制備氧化錫（SnOx）中間復合層和透明電極。

研究證明，RPD-SnOx作為復合層能實現自組裝單分子（SAM）空穴傳輸層更致密、更均勻的錨定，提升了電池的光電轉化效率和穩定性。團隊試制了1平方厘米和207.9平方厘米的無銦疊層電池。經國家太陽能光伏產品質量檢驗檢測中心認證，兩者初始光電轉化效率分別達33.56%和30.98%。其中，207.9平方厘米的樣品接受105天戶外運行測試后，轉化效率仍保持在初始水平的65%左右。