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中國科大團隊為“離子膜”注入“中國芯”，解決“傳導性-選擇性”相互制約難題

       近日，國際學術期刊《自然》上刊登了中國科學技術大學徐銅文教授、楊正金教授團隊與合作者設計的一類新型離子膜成果。

       據悉，該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。

徐銅文教授團隊成員在研討中。

 

“小薄膜”發揮“大作用”

       隔膜材料為我們生產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，結構會發生老化，從而導致性能下降。

       徐銅文教授、楊正金教授團隊等設計的這類新型離子膜，有望實現國產聚合物離子膜的“彎道超車”，為實現國家“雙碳”戰略目標和可持續發展提供技術支撐。

       離子膜在清潔能源、節能減排、能量轉換與儲存等方面有著廣泛的應用前景，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用了一個形象的比喻：就像用篩子篩沙，最好的篩子是阻隔粗沙(選擇性)、篩選細沙并使其快速通過(傳導性)，但是篩子孔小的，粗沙過不去、細沙流得也慢(傳導性差)；篩子孔大的，粗沙細沙都能過去(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。

徐銅文教授團隊。

       徐銅文團隊創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接近在水中的狀態，實現近乎“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。

 

從“奮力追趕”到“彎道超車”

       1949年美國人發明了離子膜，并于1950年成功研制了第一張具有商業用途的離子膜。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的發展。

       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從最初的“奮力追趕”，到目前有望實現“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。為了實現均相離子膜連續制備，徐銅文慕名前往浙江鎮海一家涂布機廠，請教涂布成膜技術，廠長被其真誠所打動，找出600多張技術圖紙相贈。

       回來后，徐銅文和同事仔細研究，發現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浸膠機，為之后“離子膜材料”實現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。申請國內外發明專利100余項，獲得授權95項。根據國際權威數據庫(web of science)的檢索，近10年來，徐銅文領導的課題組在離子交換膜、雙極膜兩個方向的論文數量穩居于國際第一，研究水平在國際上處于領先地位。

 

為“離子膜”注入“中國芯”

       厚積薄發，多年來，徐銅文獲得諸多學術認可：榮獲2018年度國家技術發明二等獎，2008、2009、2021中國石油化工聯合會科技進步一等獎，2022年安徽省技術發明一等獎(通過評審)，侯德榜化工科技創新獎，中國科大-唐立新優秀學者獎……在學生眼中，徐銅文具有前瞻性的科研眼光，能根據學生的個性化特點，做“因材施教”的科研布局。

徐銅文教授團隊科研人員正在實驗中。

       2014年，楊正金從清華大學博士畢業后，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，徐老師建議我去國外繼續學習”，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核心成員。

       自2020年始，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、修改以及數據補充。

       目前，徐銅文的研究團隊中，有7位年輕骨干、9位博士后、六十余名研究生。徐銅文根據各自特點，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。

       截至目前，徐銅文指導研究生和博士后150余名，本科生畢業論文80余名，其中40余人在國內外知名大學擔任(副)教授職位。

       在以徐銅文團隊為代表的中國科學家的努力下，國產離子膜研究正在實現彎道超車，并有望實現從“并跑”到“領跑”的跨越。眼下，徐銅文正著手將科研成果逐個從“實驗室”推向“生產線”，并進一步圍繞“雙碳”目標，著力為中國膜材料研究注入更多“中國芯”。

 

文章來源：中國新聞網