離子膜有什么用？

　　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(chē)玻璃上的防爆膜，手機面板上的保護膜等。膜材料也是燃料電池和液流電池的關(guān)鍵部件，這種用途的膜材料，被稱(chēng)為離子膜。離子膜，就是含功能基團的、對溶液里的離子具有選擇透過(guò)能力的高分子膜。

　　傳統的離子膜材料，用于傳導離子的通道不夠“堅固”，長(cháng)時(shí)間使用后,結構會(huì )發(fā)生老化，從而導致性能下降。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(lèi)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(xué)術(shù)期刊《自然》上。

　　據介紹，此類(lèi)離子膜有望實(shí)現國產(chǎn)聚合物離子膜的“彎道超車(chē)”，為實(shí)現國家“雙碳”戰略目標和可持續發(fā)展提供技術(shù)支撐。

　　“小薄膜”發(fā)揮“大作用”

　　作為液流電池、燃料電池等電化學(xué)器件或裝備的關(guān)鍵部件，離子膜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(guò)程中高效通過(guò)、減少損耗，但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。

　　“就像用篩子篩沙，最好的篩子可以阻隔粗沙（選擇性）、篩選細沙并使其快速通過(guò)（傳導性）。”該成果第一作者、徐銅文團隊博士后左培培介紹，離子膜的研究重點(diǎn)，就是如何在膜內構筑僅允許“細沙”快速通過(guò)的高效通道。

　　據了解，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，解決了傳統離子膜材料中離子通道老化和吸水溶脹問(wèn)題。此外，團隊在通道壁面進(jìn)行了化學(xué)修飾，使離子在膜內的擴散系數接近在水中的狀態(tài)，實(shí)現近乎“零摩擦”傳導，從而打破了傳導性和選擇性間的相互制約關(guān)系。

　　“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(jìn)行高性能膜材料的定向設計。”徐銅文說(shuō)。

　　值得一提的是，此項研究擁有較強的成果轉化潛力——基于該核心成果，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(shù)，與光伏發(fā)電強強聯(lián)合，有望解決太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電的間歇性問(wèn)題，項目孵化的特種離子膜產(chǎn)品也將推向市場(chǎng)。

　　從“奮力追趕”到“彎道超車(chē)”

　　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20世紀末，我國的離子膜研究還一直局限于從離子交換樹(shù)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。

　　意識到與國外的差距后，徐銅文義無(wú)反顧地扎進(jìn)了“離子膜的世界”。

　　“我是在何先生啟發(fā)下，開(kāi)始的‘離子交換樹(shù)脂制備離子交換膜’技術(shù)攻關(guān)。”徐銅文告訴記者，1995年，他跟隨著(zhù)名高分子化學(xué)家何炳林院士從事博士后研究。“當時(shí)，由于技術(shù)限制，離子交換樹(shù)脂存在資源浪費和需頻繁再生的缺陷，這也成為何老師的‘心病’。”

　　1997年，徐銅文入職中國科大，一切從零起步，開(kāi)展異相膜過(guò)渡到均相膜的研究。

　　“為了實(shí)現均相離子膜連續制備，我曾慕名前往浙江鎮海一家涂布機廠(chǎng)，請教涂布成膜技術(shù)，廠(chǎng)長(cháng)被我的真誠所打動(dòng)，贈送給我600多張技術(shù)圖紙。”回憶起技術(shù)的原始積累，徐銅文感慨不已，“我們回來(lái)后就和同事仔細研究，發(fā)現圖紙存在很多不完整的地方，于是找到一家個(gè)體機械廠(chǎng)的老師傅請教，最終將圖紙補充到900多張，花了整整10個(gè)月的時(shí)間，研制了第一臺均相離子膜的連續浸膠機。”

　　功夫不負苦心人，徐銅文團隊的努力，不僅為之后“離子膜材料”的發(fā)展打下了堅實(shí)的技術(shù)基礎，也將離子膜研究從過(guò)去的“奮力追趕”轉變?yōu)椤皬澋莱?chē)”，并有望實(shí)現從“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。

　　從“實(shí)驗室”推向“生產(chǎn)線(xiàn)”

　　多年來(lái)，團隊獲得諸多學(xué)術(shù)認可：榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎，中國石油化工聯(lián)合會(huì )科技進(jìn)步一等獎，侯德榜化工科技創(chuàng )新獎……而在學(xué)生眼中，徐銅文是一個(gè)具有前瞻性科研眼光的老師，能根據學(xué)生的個(gè)性化特點(diǎn)“因材施教”，并進(jìn)行科研布局。

　　2014年，楊正金從清華大學(xué)博士畢業(yè)后，慕名來(lái)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(xué)習”，楊正金說(shuō)，“我當時(shí)選擇了‘多孔材料研究’世界領(lǐng)先的愛(ài)丁堡大學(xué)，徐老師則建議我去哈佛大學(xué)學(xué)習有機液流電池技術(shù)，讓我能夠更全面地完善科研體系。”

　　學(xué)成后的楊正金將當時(shí)國際上最先進(jìn)的有機液流電池技術(shù)帶回了中國，如今他已成長(cháng)為徐銅文團隊核心成員。

　　2020年開(kāi)始，楊正金小組集中精力進(jìn)行水系有機液流電池專(zhuān)用離子膜的科研攻關(guān)。“徐老師帶著(zhù)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(shí)3年潛心研究，花了近2年時(shí)間進(jìn)行論文撰寫(xiě)、修改以及數據補充。

　　目前，徐銅文的研究團隊有7位年輕骨干、9位博士后、60余名研究生。為了讓團隊成員都能發(fā)揮所長(cháng)，徐銅文根據各自特點(diǎn)，將團隊分成7個(gè)研究小組，分別攻克離子膜材料制備、孔道調控、表征、膜過(guò)程和模擬等不同方向。

　　“眼下，我們正著(zhù)手將科研成果逐個(gè)從‘實(shí)驗室’推向‘生產(chǎn)線(xiàn)’，并進(jìn)一步圍繞‘雙碳’目標，著(zhù)力為中國膜材料研究注入更多‘中國芯’。”這是徐銅文的目標，也是國產(chǎn)離子膜的下一步方向。

　　　　（記者 崔興毅 常河）