離子膜有什么用？

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。膜材料也是燃料電池和液流電池的關鍵部件，這種用途的膜材料，被稱為離子膜。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”，長時間使用后,結構會發生老化，從而導致性能下降。中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）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。

(資料圖片)

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”戰略目標和可持續發展提供技術支撐。

“小薄膜”發揮“大作用”

作為液流電池、燃料電池等電化學器件或裝備的關鍵部件，離子膜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，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（傳導性）?！痹摮晒谝蛔髡?、徐銅文團隊博士后左培培介紹，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。

據了解，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”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。”徐銅文說。

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將推向市場。

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20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。

意識到與國外的差距后，徐銅文義無反顧地扎進了“離子膜的世界”。

“我是在何先生啟發下，開始的‘離子交換樹脂制備離子交換膜’技術攻關。”徐銅文告訴記者，1995年，他跟隨著名高分子化學家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，這也成為何老師的‘心病’。”

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，我曾慕名前往浙江鎮海一家涂布機廠，請教涂布成膜技術，廠長被我的真誠所打動，贈送給我600多張技術圖紙。”回憶起技術的原始積累，徐銅文感慨不已，“我們回來后就和同事仔細研究，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10個月的時間，研制了第一臺均相離子膜的連續浸膠機?！?/p>

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”的發展打下了堅實的技術基礎，也將離子膜研究從過去的“奮力追趕”轉變為“彎道超車”，并有望實現從“并跑”到“領跑”的跨越。

從“實驗室”推向“生產線”

多年來，團隊獲得諸多學術認可：榮獲國家技術發明二等獎，中國石油化工聯合會科技進步一等獎，侯德榜化工科技創新獎……而在學生眼中，徐銅文是一個具有前瞻性科研眼光的老師，能根據學生的個性化特點“因材施教”，并進行科研布局。

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，徐老師則建議我去哈佛大學學習有機液流電池技術，讓我能夠更全面地完善科研體系?！?/p>

學成后的楊正金將當時國際上最先進的有機液流電池技術帶回了中國，如今他已成長為徐銅文團隊核心成員。

2020年開始，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3年潛心研究，花了近2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揮所長，徐銅文根據各自特點，將團隊分成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。

“眼下，我們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’?！边@是徐銅文的目標，也是國產離子膜的下一步方向。

（記者 崔興毅 常河）