隔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。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。

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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。

徐銅文教授團隊。中國科大供圖

破解傳統離子膜“傳導性-選擇性”相互制約難題

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，包括早期的“異相離子膜”和代表未來發展趨勢的“均相離子膜”，其在清潔能源、節能減排、能量轉換與儲存等方面有著廣泛的應用前景。離子膜關鍵材料及裝備技術，屬于重點發展的國家戰略新興產業。

“太陽能、風能等清潔能源的高效利用是實現‘雙碳’目標的重要路徑，該路徑需要利用液流電池等電化學設備解決太陽能、風能的波動性、不連續性問題，而離子膜又是這些電化學儲能設備的核心。另外，發展氫能需要電解水制氫技術，離子膜也是電解裝置中的關鍵部件。”楊正金教授說，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，它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，而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。

該成果第一作者、徐銅文團隊博士后左培培打了一個形象的比喻：就像用篩子篩沙，最好的篩子應該阻隔粗沙、篩選細沙并使其快速通過，篩子孔小的，粗沙過不去，細沙流得也慢，就好比離子膜的傳導性差；篩子孔大的，粗沙細沙都能過去，就好比離子膜的選擇性差。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”地傳導，從而打破了傳導性和選擇性間的相互制約關系。據了解，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。

值得一提的是，這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，并在2022年全國博士后創新創業大賽中獲獎；項目孵化的特種離子膜產品也即將問世，并推向市場。

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從最初的“奮力追趕”，到目前有望實現“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要頻繁再生的缺陷，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。為了實現均相離子膜連續制備，徐銅文慕名前往浙江鎮海一家涂布機廠，請教涂布成膜技術，廠長被他的真誠所打動，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，花了整整十個月的時間，研制了第一臺均相離子膜的連續浸膠機，為之后“離子膜材料”實現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。根據國際權威數據庫Web of Science的檢索，近十年來，徐銅文領導的課題組在離子交換膜方向的論文數量穩居于國際第一，研究水平在國際上處于領先地位。

徐銅文教授（右一）工作照。中國科大供圖

做“因材施教”的科研布局

在學生眼中，徐銅文具有前瞻性的科研眼光，能根據學生的個性化特點，做“因材施教”的科研布局。

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，徐銅文建議他去國外繼續學習。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的核心成員。

自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，團隊歷時三年潛心研究，花了近兩年時間進行論文撰寫、修改以及數據補充。

目前，徐銅文的研究團隊中，有7位年輕骨干、9位博士后、60余名研究生。徐銅文根據其各自特點，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。

在以徐銅文團隊為代表的中國科學家的努力下，國產離子膜研究正在實現彎道超車，并有望實現從“并跑”到“領跑”的跨越。眼下，徐銅文領導的團隊正著手將科研成果逐個從“實驗室”推向“生產線”。

新京報記者 張璐

編輯 劉夢婕 校對 吳興發