中国科大又发《Nature》！从“奋力追赶”到“弯道超车”

　　​微孔框架聚合物离子膜

 

　　膜材料为我们生产生活提供了安全和便利，比如蔬菜大棚的薄膜，汽车玻璃上的防爆膜，手机面板上的保护膜等。膜材料也是燃料电池和液流电池的关键部件，这种用途的膜材料，被称为离子膜。

　　传统的离子膜材料，用于传导离子的通道不够“坚固”，长时间使用后，结构会发生老化，从而导致性能下降。中国科学技术大学（以下简称中国科大）徐铜文教授、杨正金教授团队与合作者设计了一类新型离子膜——微孔框架聚合物离子膜，解决了离子膜材料“传导性-选择性”相互制约的难题，2023年4月26日，该研究成果发表在国际学术期刊《自然》上。

 

　　据介绍，此类离子膜有望实现国产聚合物离子膜的“弯道超车”，为实现国家“双碳”战略目标和可持续发展提供技术支撑。这背后，以中国科大徐铜文教授团队为代表的中国科学家，付出了坚持不懈的努力。

 

　　01“小薄膜”发挥“大作用”

 

　　离子膜，就是含功能基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，包括早期的“异相离子膜”和代表未来发展趋势的“均相离子膜”，其在清洁能源、节能减排、能量转换与储存等方面有着广泛的应用前景。离子膜关键材料及装备技术，属于重点发展的国家战略新兴产业。

 

　　离子膜是液流电池、燃料电池等电化学器件或装备的关键部件，它既要阻隔正负极间活性物质、防止短路，又要保证离子在充放电过程中高效通过、减少损耗，而传统离子膜普遍存在“传导性-选择性”相互制约、不可兼得的难题。

 

　　该成果第一作者、徐铜文团队博士后左培培用了一个形象的比喻：就像用筛子筛沙，最好的筛子是阻隔粗沙（选择性）、筛选细沙并使其快速通过（传导性），但是筛子孔小的，粗沙过不去、细沙流得也慢（传导性差）；筛子孔大的，粗沙细沙都能过去（选择性差）。离子膜的研究重点，就是如何在膜内构筑仅允许“细沙”快速通过的高效通道。

 

　　徐铜文团队创新性地设计了一种具有贯通亚纳米离子通道的微孔框架离子膜材料，解决了传统离子膜材料中离子通道老化和吸水溶胀问题；此外，团队在通道壁面进行了化学修饰，使离子在膜内的扩散系数接近在水中的状态，实现近乎“零摩擦”地传导，从而打破了传导性和选择性间的相互制约关系。据了解，该成果涉及的微孔框架离子膜的设计理念，还可拓宽至其他功能化框架聚合物膜，并以此为基础进行高性能膜材料的定向设计。

 

　　值得一提的是，此项研究拥有较强的成果转化潜力：基于该核心成果，课题组“水系有机液流电池组”研发团队聚焦新兴大型储能技术，与光伏发电强强联合，有望解决太阳能、风能发电的间歇性问题，并在2022年全国博士后创新创业大赛中获奖；项目孵化的特种离子膜产品也即将问世，并推向市场。

 

　　02从“奋力追赶”到“弯道超车”

 

　　1949年美国人发明了离子膜，并于1950年成功研制了第一张具有商业用途的离子膜。我国的离子膜研究起步于1958年，作为我国功能膜研究的最早领域，其初衷是为了支持原子能事业的发展。

 

　　到上世纪末，我国的离子膜研究还一直局限于从离子交换树脂制备的异相离子膜，其电阻大、选择性差，只能用于初级水处理，与发达国家存在较大差距。新世纪以来，在以徐铜文教授等为代表的中国科学家的努力下，我国的离子膜研究已经从最初的“奋力追赶”，到目前有望实现“弯道超车”。

 

　　1995年，徐铜文跟随我国著名高分子化学家，被誉为“中国离子交换树脂之父”的何炳林院士，从事博士后研究。当时，由于技术限制，离子交换树脂存在资源浪费和需频繁再生的缺陷，这也成为何炳林院士的两大“心病”。于是他启发有工科背景的徐铜文，开展“离子交换树脂制备离子交换膜”的技术攻关。自此，徐铜文一头扎进“离子膜的世界”。

　　1997年，徐铜文入职中国科大，一切从零起步，开展异相膜过渡到均相膜的研究。为了实现均相离子膜连续制备，徐铜文慕名前往浙江镇海一家涂布机厂，请教涂布成膜技术，厂长被其真诚所打动，找出600多张技术图纸相赠。

　　回来后，徐铜文和同事仔细研究，发现图纸存在很多不完整的地方，于是找到一家个体机械厂的老师傅请教，最终将图纸补充到900多张，花了整整十个月的时间，研制了第一台均相离子膜的连续浸胶机，为之后“离子膜材料”实现弯道超车打下了技术基础。