合肥4月27日電(記者 吳蘭)4月26日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上刊登了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授、楊正金教授團隊與合作者設計的一類(lèi)新型離子膜成果。據悉，該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。
“小薄膜”發(fā)揮“大作用”
隔膜材料為我們生產(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。隔膜材料也是燃料電池和液流電池的關(guān)鍵部件，這種用途的隔膜材料，被稱(chēng)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(cháng)時(shí)間使用后，結構會(huì )發(fā)生老化，從而導致性能下降。徐銅文教授、楊正金教授團隊等設計的這類(lèi)新型離子膜，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。
離子膜在清潔能源、節能減排、能量轉換與儲存等方面有著(zhù)廣泛的應用前景，是液流電池、燃料電池等電化學(xué)器件或裝備的關(guān)鍵部件，它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，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用了一個(gè)形象的比喻：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(guò)(傳導性)，但是篩子孔小的，粗沙過(guò)不去、細沙流得也慢(傳導性差)；篩子孔大的，粗沙細沙都能過(guò)去(選擇性差)。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。
徐銅文團隊創(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”地傳導，從而打破了傳導性和選擇性間的相互制約關(guān)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(jìn)行高性能膜材料的定向設計。
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。
到上世紀末，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，與發(fā)達國家存在較大差距。新世紀以來(lái)，在以徐銅文教授等為代表的中國科學(xué)家的努力下，我國的離子膜研究已經(jīng)從最初的“奮力追趕”，到目前有望實(shí)現“彎道超車(chē)”。
1995年，徐銅文跟隨我國著(zhù)名高分子化學(xué)家、被譽(yù)為“中國離子交換樹(shù)脂之父”的何炳林院士，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，這也成為何炳林院士的兩大“心病”。于是他啟發(fā)有工科背景的徐銅文，開(kāi)展“離子交換樹(shù)脂制備離子交換膜”的技術(shù)攻關(guān)。自此，徐銅文一頭扎進(jìn)“離子膜的世界”。
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，徐銅文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)被其真誠所打動(dòng)，找出600多張技術(shù)圖紙相贈。
回來(lái)后，徐銅文和同事仔細研究，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，花了整整十個(gè)月的時(shí)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(shí)現彎道超車(chē)打下了技術(shù)基礎。
深耕“離子膜”研究近三十載，徐銅文團隊發(fā)表有關(guān)“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(fā)明專(zhuān)利100余項，獲得授權95項。根據國際權威數據庫(web of science)的檢索，近10年來(lái)，徐銅文領(lǐng)導的課題組在離子交換膜、雙極膜兩個(gè)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(lǐng)先地位。
為“離子膜”注入“中國芯”
厚積薄發(fā)，多年來(lái)，徐銅文獲得諸多學(xué)術(shù)認可：榮獲2018年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎，2008、2009、2021中國石油化工聯(lián)合會(huì )科技進(jìn)步一等獎，2022年安徽省技術(shù)發(fā)明一等獎(通過(guò)評審)，侯德榜化工科技創(chuàng )新獎，中國科大-唐立新優(yōu)秀學(xué)者獎……在學(xué)生眼中，徐銅文具有前瞻性的科研眼光，能根據學(xué)生的個(gè)性化特點(diǎn)，做“因材施教”的科研布局。
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?！盀橥卣拐n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)，徐老師高瞻遠矚，建議我去哈佛大學(xué)學(xué)習有機液流電池技術(shù)”。在徐銅文的舉薦下，2016年，楊正金前往美國哈佛大學(xué)進(jìn)行博士后研究。學(xué)成后，楊正金將當時(shí)國際上最先進(jìn)的有機液流電池技術(shù)帶回中國，如今他已成長(cháng)為徐銅文團隊核心成員。
自2020年始，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)三年潛心研究，花了近兩年時(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(diǎn)，將他們分成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。
截至目前，徐銅文指導研究生和博士后150余名，本科生畢業(yè)論文80余名，其中40余人在國內外知名大學(xué)擔任(副)教授職位。
在以徐銅文團隊為代表的中國科學(xué)家的努力下，國產(chǎn)離子膜研究正在實(shí)現彎道超車(chē)，并有望實(shí)現從“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。眼下，徐銅文正著(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”。
記報告文學(xué)作家蔣?。河涗泧液腿嗣駣^勇向前的足跡
（聚焦中國高質(zhì)量發(fā)展）大鹿島變遷記——看海島如何實(shí)現綠色轉型
冠軍中國，青春接力！“我比任何時(shí)候更懂你（第四季）”舉行上線(xiàn)活動(dòng)
《我的“村晚”我的年》創(chuàng )意接力直播將開(kāi)啟
哈密-重慶±800千伏特高壓直流輸電線(xiàn)路新疆段首基鐵塔基礎澆筑
增進(jìn)民心相通 開(kāi)啟新的“鄭和時(shí)代”