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(jī)面板上的保護(hù)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(jī)面板上的保護(hù)膜等。隔膜材料也是燃料電池和液流電池的關(guān)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(dǎo)離子的通道不夠“堅(jiān)固”，長時(shí)間使用后,結(jié)構(gòu)會(huì)老化,從而導(dǎo)致性能下降。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）徐銅文教授、楊正金教授團(tuán)隊(duì)與合作者設(shè)計(jì)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(dǎo)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(xué)術(shù)期刊《自然》上。

(相關(guān)資料圖)

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

徐銅文教授團(tuán)隊(duì)。中國科大供圖

破解傳統(tǒng)離子膜“傳導(dǎo)性-選擇性”相互制約難題

離子膜，就是含功能基團(tuán)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(zhuǎn)換與儲(chǔ)存等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。離子膜關(guān)鍵材料及裝備技術(shù)，屬于重點(diǎn)發(fā)展的國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。

“太陽能、風(fēng)能等清潔能源的高效利用是實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)的重要路徑，該路徑需要利用液流電池等電化學(xué)設(shè)備解決太陽能、風(fēng)能的波動(dòng)性、不連續(xù)性問題，而離子膜又是這些電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的核心。另外，發(fā)展氫能需要電解水制氫技術(shù)，離子膜也是電解裝置中的關(guān)鍵部件。”楊正金教授說，離子膜是液流電池、燃料電池等電化學(xué)器件或裝備的關(guān)鍵部件，它既要阻隔正負(fù)極間活性物質(zhì)、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(dǎo)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(tuán)隊(duì)博士后左培培打了一個(gè)形象的比喻：就像用篩子篩沙，最好的篩子應(yīng)該阻隔粗沙、篩選細(xì)沙并使其快速通過，篩子孔小的，粗沙過不去，細(xì)沙流得也慢，就好比離子膜的傳導(dǎo)性差；篩子孔大的，粗沙細(xì)沙都能過去，就好比離子膜的選擇性差。離子膜的研究重點(diǎn)，就是如何在膜內(nèi)構(gòu)筑僅允許“細(xì)沙”快速通過的高效通道。

徐銅文團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)在通道壁面進(jìn)行了化學(xué)修飾，使離子在膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)接近在水中的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)近乎“零摩擦”地傳導(dǎo)，從而打破了傳導(dǎo)性和選擇性間的相互制約關(guān)系。據(jù)了解，該成果涉及的微孔框架離子膜的設(shè)計(jì)理念，還可拓寬至其他功能化框架聚合物膜，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行高性能膜材料的定向設(shè)計(jì)。

值得一提的是，這項(xiàng)研究擁有較強(qiáng)的成果轉(zhuǎn)化潛力。基于該核心成果，課題組“水系有機(jī)液流電池組”研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦新興大型儲(chǔ)能技術(shù)，與光伏發(fā)電強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，有望解決太陽能、風(fēng)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(jiǎng)；項(xiàng)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(lǐng)域，其初衷是為了支持原子能事業(yè)的發(fā)展。

到上世紀(jì)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(dá)國家存在較大差距。新世紀(jì)以來，在以徐銅文教授等為代表的中國科學(xué)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(shí)現(xiàn)“彎道超車”。

1995年，徐銅文跟隨我國著名高分子化學(xué)家，被譽(yù)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(dāng)時(shí)，由于技術(shù)限制，離子交換樹脂存在資源浪費(fèi)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(shù)攻關(guān)。自此，徐銅文一頭扎進(jìn)“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(shí)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(jī)廠，請教涂布成膜技術(shù)，廠長被他的真誠所打動(dòng)，找出600多張技術(shù)圖紙相贈(zèng)。

回來后，徐銅文和同事仔細(xì)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(gè)體機(jī)械廠的老師傅請教，最終將圖紙補(bǔ)充到900多張，花了整整十個(gè)月的時(shí)間，研制了第一臺(tái)均相離子膜的連續(xù)浸膠機(jī)，為之后“離子膜材料”實(shí)現(xiàn)彎道超車打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

深耕“離子膜”研究近三十載，徐銅文團(tuán)隊(duì)發(fā)表有關(guān)“膜”的論文達(dá)到500多篇，已躋身世界離子膜材料研究第一梯隊(duì)。根據(jù)國際權(quán)威數(shù)據(jù)庫Web of Science的檢索，近十年來，徐銅文領(lǐng)導(dǎo)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(lǐng)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(xué)生眼中，徐銅文具有前瞻性的科研眼光，能根據(jù)學(xué)生的個(gè)性化特點(diǎn)，做“因材施教”的科研布局。

2014年，楊正金從清華大學(xué)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(xué)習(xí)。楊正金說，“我當(dāng)時(shí)選擇了‘多孔材料研究’世界領(lǐng)先的愛丁堡大學(xué)，徐老師高瞻遠(yuǎn)矚，建議我去哈佛大學(xué)學(xué)習(xí)有機(jī)液流電池技術(shù)”。在徐銅文的舉薦下，2016年，楊正金前往美國哈佛大學(xué)進(jìn)行博士后研究。學(xué)成后，楊正金將當(dāng)時(shí)國際上最先進(jìn)的有機(jī)液流電池技術(shù)帶回中國，如今他已成長為徐銅文團(tuán)隊(duì)的核心成員。

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

目前，徐銅文的研究團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，將他們分成7個(gè)研究小組，分別攻克離子膜材料制備、孔道調(diào)控、表征、膜過程和模擬等不同方向。

在以徐銅文團(tuán)隊(duì)為代表的中國科學(xué)家的努力下，國產(chǎn)離子膜研究正在實(shí)現(xiàn)彎道超車，并有望實(shí)現(xiàn)從“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。眼下，徐銅文領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)正著手將科研成果逐個(gè)從“實(shí)驗(yàn)室”推向“生產(chǎn)線”。

新京報(bào)記者 張璐

編輯 劉夢婕 校對 吳興發(fā)