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07
2026
-
09
JACS: 从“被动隔膜”走向“主动质子泵”，光驱动COF膜维持跨膜非平衡pH梯度
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背景
许多水系电化学过程面临一个长期存在却容易被忽视的矛盾：不同电极反应往往偏好不同的局域化学环境。例如水电解中，析氢反应（HER）通常在酸性条件下动力学更有利，而析氧反应（OER）则可以在近中性或碱性环境中获得更适宜的反应条件。理想情况下，如果阳极和阴极能够分别维持各自*的质子活度，就有望对两侧反应进行相对独立的调控。然而，传统离子交换膜本质上属于被动分离介质：它们能够选择性传导离子，却无法阻止由化学势差驱动的持续扩散，原本建立的pH差会不断趋向平衡。生物膜则提供了另一种思路——利用外部能量驱动离子“逆梯度”输运，主动维持跨膜电化学势差。因此，对于人工膜而言，真正的挑战已经不只是“如何选择性传导质子”，而是能否像生物离子泵一样持续对抗质子回扩散，主动维持一个远离平衡态的跨膜质子活度差。
创新
近日，浙江大学孙琦教授团队构筑了具有菱形、蜂窝和kagome三种不同晶格拓扑的给体–受体型COF膜，将分子尺度的光生电荷分离进一步转化为膜尺度的定向离子驱动力。其中，菱形拓扑的COF-PY-BT表现出*强的局域光响应，并在单侧光照下产生*大的跨膜电势偏置。值得注意的是，局域光生电荷分离并不意味着一定能够产生宏观跨膜驱动力：周期性Berry相计算表明，不同COF拓扑会决定局域偶极分量在周期骨架中是被保留还是相互抵消，而单侧光照进一步打破膜厚度方向上的空间对称性，从而确定宏观响应方向；交叉对照实验也证实，改变光照方向即可改变跨膜响应方向。由此产生的光诱导跨膜偏置能够对抗自发质子回扩散，甚至驱动逆浓度梯度的“上坡”质子输运，使近中性阳极室与酸性阴极室之间持续维持ΔpH > 4。当COF-PY-BT作为主动隔膜集成到双室水电解槽后，在稀溶液条件下表观全电池电压进一步降低约45%，同时改善了运行电压稳定性。
意义
这项工作的核心意义在于，它将膜在电化学体系中的角色从传统的“选择性隔离与被动离子传导”推进到“利用外部能量主动调控反应微环境”。过去膜设计主要追求更高电导率、更强离子选择性或更低跨膜阻力，但这些膜仍遵循浓度梯度驱动的被动扩散，难以长期维持两侧不同的化学环境；而该研究通过“局域光生电荷分离–拓扑调控偶极保留–非对称光照产生跨膜偏置–逆梯度质子输运”这一多尺度机制链条，使膜能够持续输入光能来抵消体系自发趋于平衡的过程。更重要的是，这意味着未来电化学装置不一定需要让两个电极被迫工作在同一种电解液环境中，而可以借助主动膜分别维持更适合不同半反应的质子活度，实现空间解耦的反应微环境调控。尽管作者指出，从局域光激发到宏观跨膜电学不对称之间的微观载流子转移路径仍有待进一步阐明，但“光驱动主动分离”已经提供了一种不同于传统被动膜的新范式：膜不再只是两个反应室之间的屏障，而可以成为持续维持非平衡化学环境的主动功能单元，为水电解以及其他需要空间差异化pH和离子环境的电化学过程提供新的设计思路。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/wMdgRD3bZsuVvj2RrIHHqg
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