國產聚合物離子膜有望實現彎道超車

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在中國科學技術大學（以下簡稱中國科大），有一句話常被當作調侃：“中國科大做的各種技術里，有兩類技術是被發達國家限制的，一類是量子通信，另一類是離子膜。”

中國科大離子膜研究團隊的負責人徐銅文教授，有時也會在自我介紹時用這句話調侃自己。很多外行人隨后會問一句：“離子膜是什么？”

作為一種隔膜材料，離子膜是燃料電池和液流電池中的關鍵部件。美國在1949年發明出離子膜，次年便研發出具有商業用途的離子膜，而我國的離子膜研究從1958年才起步，比美國晚了近10年，初衷是為了支持原子能事業的發展。

但“起步晚”從來都不是被卡脖子的借口。1995年，徐銅文和他的團隊從“中國離子交換樹脂之父”何炳林院士手中接過重擔，之后的近30年里，他們沒敢停下過。

4月26日，徐銅文、楊正金團隊的研究成果登上《自然》雜志。他們設計出了一類新型的離子膜——微孔框架聚合物離子膜，有望實現國產聚合物離子膜的“彎道超車”。

“既要”“又要”的難題

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，生活中幾乎隨處可見各式各樣的膜。和它們不同，離子膜是一種可以選擇性透過離子的薄膜。

在清潔能源、節能減排、能量轉換與儲存等方面，離子膜有著廣泛的應用前景。正因如此，離子膜關鍵材料及裝備技術也成為了國家重點發展的戰略新興產業。

那么，這項“卡脖子”技術到底難在哪呢？

在液流電池、燃料電池等電化學器件或裝備中，離子膜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。這種“既要”“又要”的要求，本身就是十分“苛刻”。

“就像用篩子篩沙，如果篩子孔小，粗沙過不去、細沙流得也慢；如果篩子孔大，粗沙細沙都能過去。”徐銅文團隊博士后、論文第一作者左培培說。

既要阻隔“粗沙”，又要讓“細沙”快速通過，傳統離子膜材料幾乎無法同時滿足兩個要求。

“傳統的離子膜材料，用于傳導離子的通道不夠‘堅固’，而且長時間使用后還會有結構老化、性能下降等問題。”徐銅文告訴《中國科學報》。

唯一的辦法就是重新為離子膜“打孔”。

經過3年摸索，研究團隊借助計算化學方法，精準設計出一種具有貫通亞納米離子通道的微孔框架離子膜材料，與此同時，他們還對通道進行了化學修飾，使離子可以在膜內近乎“零摩擦”地傳導。

該成果涉及的微孔框架離子膜設計理念，還可拓寬至其他功能化框架聚合物膜，為高性能膜材料定向設計打下基礎。

論文匿名評審人評價：“這種陽離子膜在液流電池中展示出了非凡的性能，其對基于分子型活性物質的水系液流電池研究體系，具有重要的借鑒意義。毫無疑問，與迄今為止使用的最好的膜相比，此類陽離子膜的性能顯著提高。”

從“奮起直追”到“齊頭并進”

我國離子膜技術，從一開始就是在被限制中發展的。

直到上世紀末，我國的離子膜研究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。

當時，被譽為“中國離子交換樹脂之父”的何炳林院士一直有個“心病”：由于技術限制，離子交換樹脂存在資源浪費、需頻繁再生的缺陷。

1995年，徐銅文進入何炳林的研究團隊，從事博士后研究。鑒于徐銅文有工科背景，何炳林開始啟發他開展“廢棄離子交換樹脂白球制備離子交換膜”的技術攻關。自此，徐銅文一頭扎進“離子膜的世界”。

1997年，徐銅文正式入職中國科大，從“零”起步開展異相膜過渡到均相膜的研究。

從“零”起步的難度難以想象，但“奮起直追”也由此開始。

為了實現均相離子膜連續制備，徐銅文曾經慕名前往浙江鎮海一家涂布機廠，請教涂布成膜技術。廠長被徐銅文的真誠打動，找出600多張技術圖紙贈給他。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，于是又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。他們整整花了十個月時間，研制出我國第一臺均相離子膜的連續浸膠機，為之后國產離子膜產業化打下了技術基礎。

時至今日，研究離子膜的近30年里，徐銅文團隊發表的有關“膜”的論文達到500多篇，躋身世界離子膜材料研究第一梯隊。他們申請的國內外發明ZL100余項，獲得授權95項。國際數據庫（web of science）檢索顯示，近10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。

精益求精，又柔又韌

此次發表在《自然》上的成果，是研究團隊歷時三年研究出的結果，此后，他們又花了近兩年時間撰寫論文、凝練科學問題、補充科學證據。

“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。”楊正金說。

論文合作者楊正金是從徐銅文團隊里成長起來的科研骨干。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，徐老師建議我去國外繼續學習。”楊正金說，“我當時選擇了愛丁堡大學的一個‘多孔材料研究’課題組，但徐老師建議我去哈佛大學學習有機液流電池技術。”

2016年，楊正金前往美國哈佛大學進行博士后研究，并將有機液流電池研究帶回中國。2019年起，在基金委優秀青年基金等項目的資助下，楊正金小組開始集中精力進行水系有機液流電池專用離子膜的科研攻關。

眼下，研究團隊正著手將科研成果逐個從“實驗室”推向“生產線”。

“這項研究擁有較強的成果轉化潛力。”徐銅文說，該核心成果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，項目孵化的特種離子膜產品也即將問世，并推向市場，為實現國家“雙碳”戰略目標和可持續發展提供技術支撐。

回望過去，展望未來，徐銅文在他的小詩里這樣寫道：“制備膜，精益求精又柔又韌；塑造人，胸懷遠大能屈能伸；興科技，學以致用為國為民；創效益，騰飛中華強國為魂。”

徐銅文（左）、楊正金（中）、左培培（右）一起討論離子膜相關問題。中國科大供圖

徐銅文（左）與學生討論問題。李子鋒攝

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