作者:倪思洁 刘爱华 来源:中国科学报 发布时间:2023/4/27 11:31:31
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国产聚合物离子膜有望实现弯道超车

 

在中国科学技术大学(以下简称中国科大),有一句话常被当作调侃:“中国科大做的各种技术里,有两类技术是被发达国家限制的,一类是量子通信,另一类是离子膜。”

中国科大离子膜研究团队的负责人徐铜文教授,有时也会在自我介绍时用这句话调侃自己。很多外行人随后会问一句:“离子膜是什么?”

作为一种隔膜材料,离子膜是燃料电池和液流电池中的关键部件。美国在1949年发明出离子膜,次年便研发出具有商业用途的离子膜,而我国的离子膜研究从1958年才起步,比美国晚了近10年,初衷是为了支持原子能事业的发展。

但“起步晚”从来都不是被卡脖子的借口。1995年,徐铜文和他的团队从“中国离子交换树脂之父”何炳林院士手中接过重担,之后的近30年里,他们没敢停下过。

4月26日,徐铜文、杨正金团队的研究成果登上《自然》杂志。他们设计出了一类新型的离子膜——微孔框架聚合物离子膜,有望实现国产聚合物离子膜的“弯道超车”。

“既要”“又要”的难题

蔬菜大棚的薄膜,汽车玻璃上的防爆膜,手机面板上的保护膜,生活中几乎随处可见各式各样的膜。和它们不同,离子膜是一种可以选择性透过离子的薄膜。

在清洁能源、节能减排、能量转换与储存等方面,离子膜有着广泛的应用前景。正因如此,离子膜关键材料及装备技术也成为了国家重点发展的战略新兴产业。

那么,这项“卡脖子”技术到底难在哪呢?

在液流电池、燃料电池等电化学器件或装备中,离子膜既要阻隔正负极间活性物质、防止短路,又要保证离子在充放电过程中高效通过、减少损耗。这种“既要”“又要”的要求,本身就是十分“苛刻”。

“就像用筛子筛沙,如果筛子孔小,粗沙过不去、细沙流得也慢;如果筛子孔大,粗沙细沙都能过去。”徐铜文团队博士后、论文第一作者左培培说。

既要阻隔“粗沙”,又要让“细沙”快速通过,传统离子膜材料几乎无法同时满足两个要求。

“传统的离子膜材料,用于传导离子的通道不够‘坚固’,而且长时间使用后还会有结构老化、性能下降等问题。”徐铜文告诉《中国科学报》。

唯一的办法就是重新为离子膜“打孔”。

经过3年摸索,研究团队借助计算化学方法,精准设计出一种具有贯通亚纳米离子通道的微孔框架离子膜材料,与此同时,他们还对通道进行了化学修饰,使离子可以在膜内近乎“零摩擦”地传导。

该成果涉及的微孔框架离子膜设计理念,还可拓宽至其他功能化框架聚合物膜,为高性能膜材料定向设计打下基础。

论文匿名评审人评价:“这种阳离子膜在液流电池中展示出了非凡的性能,其对基于分子型活性物质的水系液流电池研究体系,具有重要的借鉴意义。毫无疑问,与迄今为止使用的最好的膜相比,此类阳离子膜的性能显著提高。”

从“奋起直追”到“齐头并进”

我国离子膜技术,从一开始就是在被限制中发展的。

直到上世纪末,我国的离子膜研究一直局限于从离子交换树脂制备的异相离子膜,其电阻大、选择性差,只能用于初级水处理,与发达国家存在较大差距。

当时,被誉为“中国离子交换树脂之父”的何炳林院士一直有个“心病”:由于技术限制,离子交换树脂存在资源浪费、需频繁再生的缺陷。

1995年,徐铜文进入何炳林的研究团队,从事博士后研究。鉴于徐铜文有工科背景,何炳林开始启发他开展“废弃离子交换树脂白球制备离子交换膜”的技术攻关。自此,徐铜文一头扎进“离子膜的世界”。

1997年,徐铜文正式入职中国科大,从“零”起步开展异相膜过渡到均相膜的研究。

从“零”起步的难度难以想象,但“奋起直追”也由此开始。

为了实现均相离子膜连续制备,徐铜文曾经慕名前往浙江镇海一家涂布机厂,请教涂布成膜技术。厂长被徐铜文的真诚打动,找出600多张技术图纸赠给他。回来后,徐铜文和同事仔细研究,发现图纸存在很多不完整的地方,于是又找到一家个体机械厂的老师傅请教,最终将图纸补充到900多张。他们整整花了十个月时间,研制出我国第一台均相离子膜的连续浸胶机,为之后国产离子膜产业化打下了技术基础。

时至今日,研究离子膜的近30年里,徐铜文团队发表的有关“膜”的论文达到500多篇,跻身世界离子膜材料研究第一梯队。他们申请的国内外发明专利100余项,获得授权95项。国际数据库(web of science)检索显示,近10年来,徐铜文领导的课题组在离子交换膜方向的论文数量稳居于国际第一,研究水平在国际上处于领先地位。

精益求精,又柔又韧

此次发表在《自然》上的成果,是研究团队历时三年研究出的结果,此后,他们又花了近两年时间撰写论文、凝练科学问题、补充科学证据。

“徐老师带着我们,将论文前前后后修改了40余遍,反复推敲原理的创新性。”杨正金说。

论文合作者杨正金是从徐铜文团队里成长起来的科研骨干。2014年,杨正金从清华大学博士毕业后,慕名来到中国科大,跟随徐铜文从事博士后研究。

“为拓展课题组研究方向,徐老师建议我去国外继续学习。”杨正金说,“我当时选择了爱丁堡大学的一个‘多孔材料研究’课题组,但徐老师建议我去哈佛大学学习有机液流电池技术。”

2016年,杨正金前往美国哈佛大学进行博士后研究,并将有机液流电池研究带回中国。2019年起,在基金委优秀青年基金等项目的资助下,杨正金小组开始集中精力进行水系有机液流电池专用离子膜的科研攻关。

眼下,研究团队正着手将科研成果逐个从“实验室”推向“生产线”。

“这项研究拥有较强的成果转化潜力。”徐铜文说,该核心成果与光伏发电强强联合,有望解决太阳能、风能发电的间歇性问题,项目孵化的特种离子膜产品也即将问世,并推向市场,为实现国家“双碳”战略目标和可持续发展提供技术支撑。

回望过去,展望未来,徐铜文在他的小诗里这样写道:“制备膜,精益求精又柔又韧;塑造人,胸怀远大能屈能伸;兴科技,学以致用为国为民;创效益,腾飞中华强国为魂。”


徐铜文(左)、杨正金(中)、左培培(右)一起讨论离子膜相关问题。中国科大供图


徐铜文(左)与学生讨论问题。李子锋摄

相关论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05888-x

 
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