国产“离子膜”弯道超车背后的青年力量

    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……膜材料随处可见。膜材料也是燃料电池和液流电池的关键部件，而这种用途的隔膜材料，则被称为离子膜。

    中国科学技术大学（以下简称中国科大）徐铜文教授、杨正金教授团队与合作者设计了一类新型离子膜——微孔框架聚合物离子膜，解决了离子膜材料“传导性-选择性”相互制约的难题，团队研究历程中也应用了由数据智能驱动的精准化学研究范式。4月26日，该研究成果发表在国际学术期刊《自然》上。

    一块块大小不一、颜色不同的透明离子膜，能为人类生产生活提供大便利。据研究团队介绍，此类离子膜有望实现国产聚合物离子膜的“弯道超车”，为实现国家“双碳”战略目标和可持续发展提供技术支撑。其研制成功的背后，凝聚着一群年轻科研人的攻关和努力。

    像筛沙子一样既要阻隔粗沙，又要让细沙快速通过

    离子膜是电化学器件或装备的关键部件，它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，而传统离子膜普遍存在“传导性-选择性”相互制约、不可兼得的难题。

    该成果论文第一作者、徐铜文团队博士后左培培打了一个形象的比喻：就像用筛子筛沙，最好的筛子是阻隔粗沙（选择性）、筛选细沙并使其快速通过（传导性），但是筛子孔小的，粗沙过不去、细沙流得也慢（传导性差）；筛子孔大的，粗沙细沙都能过去（选择性差）。离子膜的研究重点，就是如何在膜内构筑仅允许“细沙”快速通过的高效通道。

    据研究团队介绍，传统的离子膜材料，用于传导离子的通道不够“坚固”，长时间使用后，结构可能会发生老化，从而导致性能下降。

    徐铜文团队创新性地设计了一种具有贯通亚纳米离子通道的微孔框架离子膜材料，解决了传统离子膜材料中离子通道老化和吸水溶胀问题。

    此外，团队在通道壁面进行了化学修饰，使离子在膜内的扩散系数接近在水中的状态，实现近乎“零摩擦”地传导，从而打破了传导性和选择性间的相互制约关系。

    杨正金介绍，离子膜，就是含功能基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，包括早期的“异相离子膜”和代表未来发展趋势的“均相离子膜”，其在清洁能源、节能减排、能量转换与储存等方面有着广泛的应用前景。离子膜关键材料及装备技术，属于重点发展的国家战略新兴产业。

    一头扎进“离子膜”的世界，从“奋力追赶”到“弯道超车”

    纵观离子膜的研究历史，1949年美国人发明了离子膜，并于1950年成功研制了第一张具有商业用途的离子膜。我国的离子膜研究起步于1958年，作为我国功能膜研究的最早领域，其初衷是为了支持原子能事业的发展。

    到20世纪末，我国的离子膜研究还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。21世纪以来，在以徐铜文教授等为代表的中国科学家的努力下，我国的离子膜研究已经从最初的“奋力追赶”，来到目前有望实现“弯道超车”。

    1995年，徐铜文跟随我国著名高分子化学家、被誉为“中国离子交换树脂之父”的何炳林院士，从事博士后研究。当时，由于技术限制，离子交换树脂存在资源浪费、需要频繁再生的缺陷，这也成为何炳林院士的两大“心病”。于是他启发有工科背景的徐铜文，开展“离子交换树脂制备离子交换膜”的技术攻关。

    自此，徐铜文一头扎进“离子膜的世界”。

    1997年，徐铜文入职中国科大，一切从零起步，开展异相膜过渡到均相膜的研究。为了实现均相离子膜连续制备，徐铜文慕名前往浙江镇海一家涂布机厂，请教涂布成膜技术，厂长被其真诚所打动，找出600多张技术图纸相赠。

    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。为此，他们花了整整十个月的时间，研制了第一台均相离子膜的连续浸胶机，为之后“离子膜材料”实现弯道超车打下了技术基础。

    深耕“离子膜”研究近三十载，徐铜文团队发表有关“膜”的论文达到500多篇，已跻身世界离子膜材料研究第一梯队；申请国内外发明专利100余项，获得授权95项。根据国际权威数据库的检索，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。

    做“因材施教”的科研布局，将成果从“实验室”推向“生产线”

    厚积薄发，多年来徐铜文获得诸多学术认可：获得2018年度国家技术发明二等奖，2008年、2009年、2021年中国石油化工联合会科技进步一等奖，侯德榜化工科技创新奖，中国科大-唐立新优秀学者奖……在学生眼中，徐铜文具有前瞻性的科研眼光，能根据学生的个性化特点，做“因材施教”的科研布局。

    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‘多孔材料研究’世界领先的爱丁堡大学，徐老师高瞻远瞩，建议我去哈佛大学学习有机液流电池技术。”

    在徐铜文的举荐下，杨正金2016年前往美国哈佛大学进行博士后研究。学成后，杨正金将当时国际上最先进的有机液流电池技术带回中国，如今他已成长为徐铜文团队核心成员，31岁获得国家优秀青年基金资助，32岁晋升中国科大教授。

    自2020年开始，杨正金小组集中精力进行水系有机液流电池专用离子膜的科研攻关，“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。”为了做出传导性强、选择性好的离子膜材料，团队历时3年潜心研究，花了近两年时间进行论文撰写、修改以及数据补充。

    多年来，徐铜文培养了众多优秀人才。截至目前，他指导研究生和博士后150余名，本科生毕业论文80余名，其中40余人在国内外知名大学担任（副）教授职位。他将科研和育人相结合，正如他写的一首诗：“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。”

    “目前的研究范式偏向量体裁衣，就是针对某一个应用对象，预测满足这种膜性能需要什么样的材料、修饰、化学反应、制备工艺等，再通过倒推来解决膜结构与膜性能的定量关系、膜使用过程中结构演变或性能变化等关键性问题，最终实现制膜、选膜、应用流程的成本最低。”徐铜文的团队中，有7位年轻骨干、9位博士后、60余位研究生。徐铜文根据各自特点，将他们分成7个研究小组，分别攻克离子膜材料制备、孔道调控、表征、膜过程和模拟等不同方向。

    “未来我们重点开展三个方面的应用：一是有机液流电池专用离子膜的开发及其规模化制备，逐步推动储能技术产业化；二是希望实现碱性膜以及碱性膜电解水制氢产业化；三是发力特殊情况的离子膜应用，如高温、高酸、高碱等条件，相应解决一些环保问题。”徐铜文介绍，眼下团队正着手将科研成果逐个从“实验室”推向“生产线”，并进一步围绕“双碳”目标，着力为中国膜材料研究注入更多“中国芯”。