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，汽車玻璃上的防爆膜，手機(jī)面板上的保護(hù)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，被稱為離子膜。離子膜，就是含功能基團(tuán)的、對(duì)溶液里的離子具有選擇透過(guò)能力的高分子膜。

傳統(tǒng)的離子膜材料，用于傳導(dǎo)離子的通道不夠“堅(jiān)固”，長(zhǎng)時(shí)間使用后,結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生老化，從而導(dǎo)致性能下降。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)科大）徐銅文教授、楊正金教授團(tuán)隊(duì)與合作者設(shè)計(jì)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(dǎo)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

據(jù)介紹，此類離子膜有望實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)聚合物離子膜的“彎道超車”，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和可持續(xù)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(fù)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(tǒng)離子膜普遍存在“傳導(dǎo)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(xì)沙并使其快速通過(guò)（傳導(dǎo)性）。”該成果第一作者、徐銅文團(tuán)隊(duì)博士后左培培介紹，離子膜的研究重點(diǎn)，就是如何在膜內(nèi)構(gòu)筑僅允許“細(xì)沙”快速通過(guò)的高效通道。

據(jù)了解，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)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(wèn)題。此外，團(tuán)隊(duì)在通道壁面進(jìn)行了化學(xué)修飾，使離子在膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)接近在水中的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)近乎“零摩擦”傳導(dǎo)，從而打破了傳導(dǎo)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(shè)計(jì)理念，還可拓寬至其他功能化框架聚合物膜，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行高性能膜材料的定向設(shè)計(jì)。”徐銅文說(shuō)。

值得一提的是，此項(xiàng)研究擁有較強(qiáng)的成果轉(zhuǎn)化潛力——基于該核心成果，課題組“水系有機(jī)液流電池組”研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦新興大型儲(chǔ)能技術(shù)，與光伏發(fā)電強(qiáng)強(qiáng)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(xiàng)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”

1949年美國(guó)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(guó)的離子膜研究起步于1958年，作為我國(guó)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(jì)末，我國(guó)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(jí)水處理。

意識(shí)到與國(guó)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，他跟隨著名高分子化學(xué)家何炳林院士從事博士后研究。“當(dāng)時(shí)，由于技術(shù)限制，離子交換樹(shù)脂存在資源浪費(fèi)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(guó)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(xiàn)均相離子膜連續(xù)制備，我曾慕名前往浙江鎮(zhèn)海一家涂布機(jī)廠，請(qǐng)教涂布成膜技術(shù)，廠長(zhǎng)被我的真誠(chéng)所打動(dòng)，贈(zèng)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(xì)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(gè)體機(jī)械廠的老師傅請(qǐng)教，最終將圖紙補(bǔ)充到900多張，花了整整10個(gè)月的時(shí)間，研制了第一臺(tái)均相離子膜的連續(xù)浸膠機(jī)。”

功夫不負(fù)苦心人，徐銅文團(tuán)隊(duì)的努力，不僅為之后“離子膜材料”的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，也將離子膜研究從過(guò)去的“奮力追趕”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬澋莱嚒保⒂型麑?shí)現(xiàn)從“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。

從“實(shí)驗(yàn)室”推向“生產(chǎn)線”

多年來(lái)，團(tuán)隊(duì)獲得諸多學(xué)術(shù)認(rèn)可：榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，中國(guó)石油化工聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，侯德榜化工科技創(chuàng)新獎(jiǎng)……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(jù)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(guó)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(guó)外繼續(xù)學(xué)習(xí)”，楊正金說(shuō)，“我當(dāng)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(xí)有機(jī)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(dāng)時(shí)國(guó)際上最先進(jìn)的有機(jī)液流電池技術(shù)帶回了中國(guó)，如今他已成長(zhǎng)為徐銅文團(tuán)隊(duì)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(jī)液流電池專用離子膜的科研攻關(guān)。“徐老師帶著我們，將論文前前后后修改了40余遍，反復(fù)推敲原理的創(chuàng)新性。”

為了做出傳導(dǎo)性強(qiáng)、選擇性好的離子膜材料，團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年潛心研究，花了近2年時(shí)間進(jìn)行論文撰寫、修改以及數(shù)據(jù)補(bǔ)充。

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

“眼下，我們正著手將科研成果逐個(gè)從‘實(shí)驗(yàn)室’推向‘生產(chǎn)線’，并進(jìn)一步圍繞‘雙碳’目標(biāo)，著力為中國(guó)膜材料研究注入更多‘中國(guó)芯’。”這是徐銅文的目標(biāo)，也是國(guó)產(chǎn)離子膜的下一步方向。

（本報(bào)記者 崔興毅 常河）