隔膜材料為我們生產(chǎn)生活提供了安全和便利，比如蔬菜大棚的薄膜、汽車玻璃上的防爆膜、手機面板上的保護膜等

隔膜材料為我們生產(chǎn)生活提供了安全和便利，比如蔬菜大棚的薄膜、汽車玻璃上的防爆膜、手機面板上的保護膜等。隔膜材料也是燃料電池和液流電池的關鍵部件，這種用途的隔膜材料，被稱為離子膜。

傳統(tǒng)的離子膜材料，用于傳導離子的通道不夠“堅固”，長時間使用后,結構會老化,從而導致性能下降。中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）徐銅文教授、楊正金教授團隊與合作者設計了一類新型離子膜——微孔框架聚合物離子膜，解決了離子膜材料“傳導性-選擇性”相互制約的難題。4月26日，該研究成果發(fā)表在國際學術期刊《自然》上。

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此類離子膜有望實現(xiàn)國產(chǎn)聚合物離子膜的“彎道超車”，為實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標和可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。

徐銅文教授團隊。中國科大供圖

破解傳統(tǒng)離子膜“傳導性-選擇性”相互制約難題

離子膜，就是含功能基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜，包括早期的“異相離子膜”和代表未來發(fā)展趨勢的“均相離子膜”，其在清潔能源、節(jié)能減排、能量轉換與儲存等方面有著廣泛的應用前景。離子膜關鍵材料及裝備技術，屬于重點發(fā)展的國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。

“太陽能、風能等清潔能源的高效利用是實現(xiàn)‘雙碳’目標的重要路徑，該路徑需要利用液流電池等電化學設備解決太陽能、風能的波動性、不連續(xù)性問題，而離子膜又是這些電化學儲能設備的核心。另外，發(fā)展氫能需要電解水制氫技術，離子膜也是電解裝置中的關鍵部件?！睏钫鸾淌谡f，離子膜是液流電池、燃料電池等電化學器件或裝備的關鍵部件，它既要阻隔正負極間活性物質、防止短路，又要保證離子在充放電過程中高效通過、減少損耗，而傳統(tǒng)離子膜普遍存在“傳導性-選擇性”相互制約、不可兼得的難題。

該成果第一作者、徐銅文團隊博士后左培培打了一個形象的比喻：就像用篩子篩沙，最好的篩子應該阻隔粗沙、篩選細沙并使其快速通過，篩子孔小的，粗沙過不去，細沙流得也慢，就好比離子膜的傳導性差；篩子孔大的，粗沙細沙都能過去，就好比離子膜的選擇性差。離子膜的研究重點，就是如何在膜內構筑僅允許“細沙”快速通過的高效通道。

徐銅文團隊創(chuàng)新性地設計了一種具有貫通亞納米離子通道的微孔框架離子膜材料，解決了傳統(tǒng)離子膜材料中離子通道老化和吸水溶脹問題；此外，團隊在通道壁面進行了化學修飾，使離子在膜內的擴散系數(shù)接近在水中的狀態(tài)，實現(xiàn)近乎“零摩擦”地傳導，從而打破了傳導性和選擇性間的相互制約關系。據(jù)了解，該成果涉及的微孔框架離子膜的設計理念，還可拓寬至其他功能化框架聚合物膜，并以此為基礎進行高性能膜材料的定向設計。

值得一提的是，這項研究擁有較強的成果轉化潛力?；谠摵诵某晒?，課題組“水系有機液流電池組”研發(fā)團隊聚焦新興大型儲能技術，與光伏發(fā)電強強聯(lián)合，有望解決太陽能、風能發(fā)電的間歇性問題，并在2022年全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲獎；項目孵化的特種離子膜產(chǎn)品也即將問世，并推向市場。

從“奮力追趕”到“彎道超車”

1949年美國人發(fā)明了離子膜，并于1950年成功研制了第一張具有商業(yè)用途的離子膜。我國的離子膜研究起步于1958年，作為我國功能膜研究的最早領域，其初衷是為了支持原子能事業(yè)的發(fā)展。

到上世紀末，我國的離子膜研究還一直局限于從離子交換樹脂制備的異相離子膜，其電阻大、選擇性差，只能用于初級水處理，與發(fā)達國家存在較大差距。新世紀以來，在以徐銅文教授等為代表的中國科學家的努力下，我國的離子膜研究已經(jīng)從最初的“奮力追趕”，到目前有望實現(xiàn)“彎道超車”。

1995年，徐銅文跟隨我國著名高分子化學家，被譽為“中國離子交換樹脂之父”的何炳林院士從事博士后研究。當時，由于技術限制，離子交換樹脂存在資源浪費和需要頻繁再生的缺陷，這也成為何炳林院士的兩大“心病”。于是，他啟發(fā)有工科背景的徐銅文，開展“離子交換樹脂制備離子交換膜”的技術攻關。自此，徐銅文一頭扎進“離子膜的世界”。

1997年，徐銅文入職中國科大，一切從零起步，開展異相膜過渡到均相膜的研究。為了實現(xiàn)均相離子膜連續(xù)制備，徐銅文慕名前往浙江鎮(zhèn)海一家涂布機廠，請教涂布成膜技術，廠長被他的真誠所打動，找出600多張技術圖紙相贈。

回來后，徐銅文和同事仔細研究，發(fā)現(xiàn)圖紙存在很多不完整的地方，于是找到一家個體機械廠的老師傅請教，最終將圖紙補充到900多張，花了整整十個月的時間，研制了第一臺均相離子膜的連續(xù)浸膠機，為之后“離子膜材料”實現(xiàn)彎道超車打下了技術基礎。

深耕“離子膜”研究近三十載，徐銅文團隊發(fā)表有關“膜”的論文達到500多篇，已躋身世界離子膜材料研究第一梯隊。根據(jù)國際權威數(shù)據(jù)庫Web of Science的檢索，近十年來，徐銅文領導的課題組在離子交換膜方向的論文數(shù)量穩(wěn)居于國際第一，研究水平在國際上處于領先地位。

徐銅文教授（右一）工作照。中國科大供圖

做“因材施教”的科研布局

在學生眼中，徐銅文具有前瞻性的科研眼光，能根據(jù)學生的個性化特點，做“因材施教”的科研布局。

2014年，楊正金從清華大學博士畢業(yè)后，慕名來到中國科大，跟隨徐銅文從事博士后研究。為拓展課題組研究方向，徐銅文建議他去國外繼續(xù)學習。楊正金說，“我當時選擇了‘多孔材料研究’世界領先的愛丁堡大學，徐老師高瞻遠矚，建議我去哈佛大學學習有機液流電池技術”。在徐銅文的舉薦下，2016年，楊正金前往美國哈佛大學進行博士后研究。學成后，楊正金將當時國際上最先進的有機液流電池技術帶回中國，如今他已成長為徐銅文團隊的核心成員。

自2020年開始，楊正金小組集中精力進行水系有機液流電池專用離子膜的科研攻關，“徐老師帶著我們，將論文前前后后修改了40余遍，反復推敲原理的創(chuàng)新性”。為了做出傳導性強、選擇性好的離子膜材料，團隊歷時三年潛心研究，花了近兩年時間進行論文撰寫、修改以及數(shù)據(jù)補充。

目前，徐銅文的研究團隊中，有7位年輕骨干、9位博士后、60余名研究生。徐銅文根據(jù)其各自特點，將他們分成7個研究小組，分別攻克離子膜材料制備、孔道調控、表征、膜過程和模擬等不同方向。

在以徐銅文團隊為代表的中國科學家的努力下，國產(chǎn)離子膜研究正在實現(xiàn)彎道超車，并有望實現(xiàn)從“并跑”到“領跑”的跨越。眼下，徐銅文領導的團隊正著手將科研成果逐個從“實驗室”推向“生產(chǎn)線”。

新京報記者 張璐

編輯 劉夢婕 校對 吳興發(fā)