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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

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，有望實現國產聚合物離子膜的彎道超車。4月26日，該研究成果以“Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes”為題登上《自然》雜志。 離子膜是什么？有什么作用？應用于哪些領域？本文將圍繞這些問題對離子膜進行介紹。 什么是離子膜？

從HCl/FeCl2 溶液中回收 HCl 時離子穿過 PECs/PVA 膜的示意圖

（圖片來源：離子交換膜的發展態勢與應用展望[J].化工進展,2016,35(06):1774-1785.） 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。 離子膜是膜狀的離子交換樹脂，包括高分子骨架、固定基團及固定基團上的可移動離子3個主要部分，可根據其帶電荷的種類不同主要分為陽離子交換膜和陰離子交換膜。陽離子交換膜能選擇透過陽離子而阻擋陰離子的透過；陰離子交換膜能選擇透過陰離子而阻擋陽離子的透過。 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。 歷史發展美國科學家Juda在1949年發明了離子膜，并于1950年成功研制了第一張具有商業用途的離子膜，從此離子膜成為一個新的技術領域受到日本及歐美等國的充分重視。 我國離子膜的研究從1958年開始，中國科學院化學研究所首先在國內研制成功了聚乙烯醇異相陰、陽離子交換膜，在北京維尼綸廠進一步改進并投入了生產。60年代中期到70年代末，是我國高子交換膜研究的活躍時期，此間各種均相膜、半均相膜競相開發。80年代，晨光化工研究院采用聚乙烯輻射接枝甲基丙烯酸二甲胺乙酯制備滲析陰膜。20世紀80年代末到90年代，由于方向和任務的調整，研制單位和人員相應減少，產品在淘汰過程中相對集中，上海化工廠成為異相生產離子膜的主要廠家，后來由于技術擴散，浙江臨安、河北邢臺、江蘇宜興等也建立了生產異相離子交換膜的工廠，并在原來技術的基礎上，對異相膜進行了改進，生產出低滲透異相離子膜，趨于穩定。 直到20世紀末，我國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。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。 新型離子膜優勢微孔框架聚合物離子膜不僅解決了傳統離子膜材料中離子通道老化和吸水溶脹問題，還兼具高選擇性和高傳導率。 傳統離子膜普遍存在吸水后容易發生溶脹變形、結構疏松等問題，特別是長時間使用后，可能會發生結構老化、性能下降。中國科大研究團隊經過多年研究，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，同時在通道中進行了化學修飾，不僅解決了傳統離子膜材料中離子通道老化和吸水溶脹問題，還兼具高選擇性和高傳導率，離子傳輸更加迅速，在膜內實現了近似無摩擦傳導。據介紹，使用該膜組裝的液流電池，充放電電流密度可以達到每平方厘米500毫安，是當前普遍報道值的5倍以上。 該成果第一作者、徐銅文團隊博士后左培培（文章首圖右側）在接受媒體采訪時介紹，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。“就像用篩子篩沙，最好的篩子可以阻隔粗沙（選擇性）、篩選細沙并使其快速通過（傳導性）。”

優秀團隊為中國膜材料研究注入更多“中國芯”

據了解，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。 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專利100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。 關于離子膜的未來發展，徐銅文在接受媒體采訪時介紹，團隊將圍繞離子膜重點開展三個方面的應用：一是有機液流電池專用離子膜的開發及其規模化制備，逐步推動儲能技術產業化；二是希望實現堿性膜以及堿性膜電解水制氫產業化；三是發力特殊情況的離子膜應用，如高溫、高酸、高堿等條件，相應解決一些環保問題。 眼下團隊正著手將科研成果逐個從“實驗室”推向“生產線”，并進一步圍繞“雙碳”目標，著力為中國膜材料研究注入更多“中國芯”。 圖片來源于網絡 資料來源： https://baijiahao.baidu.com/s?id=1764341307866361223&wfr=spider&for=pc https://baijiahao.baidu.com/s?id=1764644715177623396&wfr=spider&for=pc https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/4/499511.shtm http://k.sina.com.cn/article_6451404278_180889df6027011i9i.html https://cpu.baidu.com/pc/1022/275122716/detail/77265657825185668/news?chk=1 https://www.cas.cn/cm/202304/t20230427_4885506.shtml https://baike.baidu.com/item/%E7%A6%BB%E5%AD%90%E8%86%9C/62951864 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1764252033365854413&wfr=spider&for=pc https://mp.weixin.qq.com/s/gTzDuD2zVier5kDOZwoXIw https://www.xianjichina.com/special/detail_525953.html

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