多孔聚電解質膜(PPMs)是現代科學工程與技術中極具吸引力的材料之一，因為其獨特的帶電性質和孔限制效應而在電子設備、吸附/分離技術、潤滑、生物工程、電池等領域具有廣泛的應用。傳統(tǒng)上的PPMs是由嵌段共聚物和多組分聚合物材料在靜電相互作用或者共價交聯(lián)的驅動下自組裝而成。隨著PPMs材料的發(fā)展，一些問題也隨之出現：1. 制備這類材料通常需要較苛刻的條件；2. 如何調整這類材料的微觀結構使之具有不同功能。因此，如何簡單地制備這類材料并通過微觀結構的調整實現不同功能便具有了重要意義。

圖1. 使用的PILs結構以及制作超分子多孔聚電解質膜(SPPMs)的流程

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

近日，來自南開大學化學學院的王鴻教授等人設計開發(fā)了一種可伸縮的獨立超分子多孔聚電解質膜（圖1）：通過氫鍵實現單一聚離子液體(PIL)形成SPPMs，并通過改變PIL中的結構基元調整SPPMs的微觀結構、功能以及機械性能。在制備過程中，只有水參與了氫鍵的形成以進一步構建孔隙，這是一種極環(huán)保的直接構筑SPPMs的方法。作者對此的解釋是，超分子多孔聚電解質膜是通過氫鍵作用誘導聚離子液體(PIL)的極性域和非極性域之間產生相分離，然后水分子將極性域和非極性域連接在一起形成多孔結構。

圖2. 不同的SPPMs的SEM測試

作者對上述通過四種不同PIL制備的SPPMs進行了低分辨率橫截面掃描電子顯微鏡測試(SEM)以及控制實驗（圖2），以探究形成SPPMs的機理。由于PIL薄膜中只剩下少量DMF溶劑，因此排除了非溶劑誘導的相分離機制。作者使用結構相似的PIL進行了對比，發(fā)現具有強氫鍵的PILs會影響SPPM的形成。在PIL中加入水分子會增強分子極性，水分子作為氫鍵交聯(lián)劑，促進PILs中的親水陽離子環(huán)從疏水框架中微相分離，從而產生孔隙。另外，從SEM中可以看出這四種SPPMs呈現出孔徑遞減，作者認為這很可能是由水分子從上到下擴散到PIL膜所決定的。由于滲透驅動力的逐漸減弱，水分子向膜的深處擴散變得更加困難和緩慢。

圖3. 水分子與PIL之間的核磁、FTIR以及DFT研究

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

為了進一步探究水的作用（圖3），作者通過核磁發(fā)現水與三氮唑的的C5位氫、咪唑的C2位氫有著明顯的作用，并且作者通過FTIR進行了測定發(fā)現兩個羥基與相鄰的PILs物種具有明顯的配位模式，表明PIL與水之間確實有著強的氫鍵作用。作者還通過DFT計算進行了研究，發(fā)現水分子一方面削弱了相反帶電離子之間的庫侖相互作用，而另一方面，水分子通過兩個氫鍵連接三氮唑環(huán)和Tf₂N陰離子中的極性域-SO₂-部分。通過實驗與計算充分表明了SPPMs的形成是由于水分子與PIL之間的氫鍵引起極性域與分極性域之間相分離所導致的。

圖4. 熱刺激和水浸泡下的SPPMs光學性能測試以及機械性能測試

（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）