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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(jù)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(fā)揮“大作用”

       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，結構會發(fā)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(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。

       離子膜在清潔能源、節(jié)能減排、能量轉換與儲存等方面有著廣泛的應用前景，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(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(nèi)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(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(nèi)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。

 

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(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。申請國內(nèi)外發(fā)明專利100余項，獲得授權95項。根據(jù)國際權威數(shù)據(jù)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(shù)量穩(wěn)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(fā)，多年來，徐銅文獲得諸多學術認可：榮獲2018年度國家技術發(fā)明二等獎，2008、2009、2021中國石油化工聯(lián)合會科技進步一等獎，2022年安徽省技術發(fā)明一等獎(通過評審)，侯德榜化工科技創(chuàng)新獎，中國科大-唐立新優(yōu)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(jù)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(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，徐老師建議我去國外繼續(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(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、六十余名研究生。徐銅文根據(jù)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(diào)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(yè)論文80余名，其中40余人在國內(nèi)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(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，徐銅文正著手將科研成果逐個從“實驗室”推向“生產(chǎn)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(wǎng)