中國科學家創新設計離子膜材料為“雙碳”提供技術支撐

中國網/中國發展門戶網訊 近日，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“傳導性-選擇性”相互制約的難題，4月26日，該研究成果發表在國際學術期刊《自然》上。

徐銅文教授、楊正金教授團隊照片

在離子膜內構筑“高效通道”

離子膜指含功能基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜，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。離子膜是液流電池、燃料電池等電化學器件或裝備的關鍵部件，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。“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）。”該成果第一作者、徐銅文團隊博士后左培培這樣比喻。而傳統的離子膜材料，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，存在“傳導性-選擇性”相互制約、不可兼得的難題。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”的傳導，從而打破了傳導性和選擇性間的相互制約關系。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，并以此為基礎進行高性能膜材料的定向設計。

據介紹，此類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”目標和可持續發展提供技術支撐。基于該核心成果，課題組“水系有機液流電池組”研發團隊聚焦新興大型儲能技術，與光伏發電強強聯合，有望解決太陽能、風能發電的間歇性問題；項目孵化的特種離子膜產品也即將問世，并推向市場。

成果背后的人才培養

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ZL100余項，獲得授權95項。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。

團隊核心成員楊正金介紹，自己根據徐銅文的建議，在選擇國外繼續學習專業時，從多孔材料研究轉向學習有機液流電池技術。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。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，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、修改以及補充科學證據，“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”，研究成果最終獲得了編輯和審稿人的認可。

多年來，徐銅文培養了眾多優秀人才。截至目前，他指導研究生和博士后150余名，本科生畢業論文80余名。他曾寫下：“制備膜，精益求精又柔又韌；塑造人，胸懷遠大能屈能伸；興科技，學以致用為國為民；創效益，騰飛中華強國為魂。”