清华大学化工系刘凯副教授、王保国教授与莱斯大学汪淏田教授利用葫芦 [7] 脲与季铵化聚 (哌啶 - 三联苯) 阳离子聚合物共组装构建超分子诱导纳米孔阴离子传导膜，解决传统多孔膜力学稳定性差、孔道无序、合成工艺复杂的难题，制备出兼具超高离子电导率、优异机械与化学稳定性、超低气体跨渗的动态孔道膜材料，在碱性电解水装置中实现超高电流密度与超千小时稳定运行。

2026年6月17日，相关工作在Nature上发表题为"Cucurbituril-based anion-conducting membranes with supramolecular nanopores"研究论文。团队成员徐子昂、林董澄、尹浩宇、冯青青为论文第一作者，刘凯副教授、王保国教授、汪淏田教授为论文共同通讯作者。

该研究提出超分子诱导纳米孔全新制备策略，选用刚性大环葫芦 [7] 脲作为超分子主体，与耐碱无杂原子阳离子聚合物季铵化聚 (哌啶 - 三联苯) 进行主客体共组装，依靠葫芦脲羰基与聚合物季铵基团的阳离子 - 偶极相互作用构建均匀、动态纳米孔道；系统通过核磁、量热、同步辐射、正电子湮灭、中子散射、分子动力学模拟等多手段表征主客体结合行为、膜微观孔结构、水动力学与离子传输机理；调控葫芦脲掺杂比例优化膜力学、溶胀、离子传导性能，区分氢氧根传输的载体扩散与格罗特斯跳跃两种机制；最后将最优配比膜组装无贵金属碱性电解水装置，全面测试电解性能、气体跨渗、长周期运行稳定性，同时验证该策略具备普适性，可拓展至多种芳醚类阴离子传导聚合物体系。

研究背景

阴离子传导膜能够传导氢氧根离子，为无贵金属电化学器件（电解水、燃料电池、二氧化碳捕获等）提供碱性反应环境，传统阴离子传导膜依靠柔性聚合物微相分离形成亲水通道，孔道杂乱不连续，高电流密度下会产生巨大能量损耗；现有两种造孔主流方案存在明显缺陷，固有微孔聚合物依靠扭曲刚性单体堆砌形成随机孔径微孔，离子传输受阻，共价 / 金属有机框架材料孔道规整但长程连通性差、交联工艺复杂难以规模化制备，并且两类材料为实现多孔结构都需要特殊单体，会大幅牺牲膜材料机械与化学稳定性，长期存在 “高孔隙率与膜稳定无法兼顾” 的行业矛盾，同时现有膜的氢氧根传输多依靠载体扩散机制，传输阻力大、电导提升受限，多孔膜还普遍存在氢气氧气交叉渗透严重、产氢纯度低的问题，限制了电解水等设备工业化应用。

图文详解

整体内容围绕新型 CB [7]-QPPT 复合膜分子设计、规模化制备、宏观外观与力学性能开展基础表征，验证主客体组装可同步实现大尺寸成膜与力学增强。

图1. 超分子阴离子传导膜的设计、制备与表征

整体借助同步辐射、气体吸附、正电子湮灭、纳米显微成像等多种表征手段，证实 CB [7] 共组装会生成全新本征纳米孔道，并系统研究孔道结构对膜吸水、溶胀行为的调控作用。

图2. 超分子膜的孔结构表征与水化行为

整体测试不同温度下膜阴离子传导性能，拆分两种离子传输路径贡献，结合水分子动力学解释高电导内在原因。

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图3. 膜氢氧根电导率与离子传输机理

借助准弹性中子散射实验与分子动力学、元动力学模拟，揭示非共价超分子交联带来的皮秒尺度孔道动态特性，阐明动态孔道降低离子迁移能垒的热力学机制。

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图4. 纳米孔道动态行为的实验与计算模拟

将 QCB30 膜组装无贵金属电解槽，全面测试高浓度、稀电解液、纯水体系电解性能、气体交叉渗透安全性与超长周期运行稳定性，验证工业化应用潜力。

图5. 膜在阴离子交换膜电解水装置中的应用性能测试

总结

总之, 提出一种全新无共价交联的超分子诱导造孔策略，区别于传统本征微孔聚合物、共价有机框架的刚性永久孔道设计，利用葫芦 [7] 脲大环与阳离子聚合物的可逆主客体相互作用，在任意耐碱阴离子高分子基底中原位构筑尺寸均一、具备动态波动特性的纳米孔道，一举解决长久以来多孔阴离子传导膜 “高电导与机械 / 化学稳定性无法兼顾” 的核心矛盾；首次证实动态限域孔道可大幅降低氢氧根迁移势垒，强化格罗特斯传导路径，实现电导率与离子交换容量解耦；颠覆多孔膜气密性差的固有认知，依靠孔道内水相屏障实现高孔隙与低气体交叉渗透共存；整套合成制备工艺简单、可大面积规模化生产，且主客体组装策略通用，为电解水、燃料电池、二氧化碳电还原等电化学器件高性能阴离子膜提供模块化分子工程新思路。

原文链接

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