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國產“離子膜”彎道超車背后的青年力量 環(huán)球滾動
2023-05-08 13:52:12來源: 中國青年報

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……膜材料隨處可見。膜材料也是燃料電池和液流電池的關鍵部件,而這種用途的隔膜材料,則被稱為離子膜。

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,解決了離子膜材料“傳導性-選擇性”相互制約的難題,團隊研究歷程中也應用了由數據智能驅動的精準化學研究范式。4月26日,該研究成果發(fā)表在國際學術期刊《自然》上。

徐銅文、楊正金、左培培(從左至右)在實驗室。校方供圖


(資料圖片)

徐銅文課題團隊合影。校方供圖

一塊塊大小不一、顏色不同的透明離子膜,能為人類生產生活提供大便利。據研究團隊介紹,此類離子膜有望實現國產聚合物離子膜的“彎道超車”,為實現國家“雙碳”戰(zhàn)略目標和可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。其研制成功的背后,凝聚著一群年輕科研人的攻關和努力。

像篩沙子一樣既要阻隔粗沙,又要讓細沙快速通過

離子膜是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,而傳統(tǒng)離子膜普遍存在“傳導性-選擇性”相互制約、不可兼得的難題。

該成果論文第一作者、徐銅文團隊博士后左培培打了一個形象的比喻: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(傳導性),但是篩子孔小的,粗沙過不去、細沙流得也慢(傳導性差);篩子孔大的,粗沙細沙都能過去(選擇性差)。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。

據研究團隊介紹,傳統(tǒng)的離子膜材料,用于傳導離子的通道不夠“堅固”,長時間使用后,結構可能會發(fā)生老化,從而導致性能下降。

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(tǒng)離子膜材料中離子通道老化和吸水溶脹問題。

此外,團隊在通道壁面進行了化學修飾,使離子在膜內的擴散系數接近在水中的狀態(tài),實現近乎“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系。

楊正金介紹,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,包括早期的“異相離子膜”和代表未來發(fā)展趨勢的“均相離子膜”,其在清潔能源、節(jié)能減排、能量轉換與儲存等方面有著廣泛的應用前景。離子膜關鍵材料及裝備技術,屬于重點發(fā)展的國家戰(zhàn)略新興產業(yè)。

一頭扎進“離子膜”的世界,從“奮力追趕”到“彎道超車”

縱觀離子膜的研究歷史,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域,其初衷是為了支持原子能事業(yè)的發(fā)展。

到20世紀末,我國的離子膜研究還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(fā)達國家存在較大差距。21世紀以來,在以徐銅文教授等為代表的中國科學家的努力下,我國的離子膜研究已經從最初的“奮力追趕”,來到目前有望實現“彎道超車”。

1995年,徐銅文跟隨我國著名高分子化學家、被譽為“中國離子交換樹脂之父”的何炳林院士,從事博士后研究。當時,由于技術限制,離子交換樹脂存在資源浪費、需要頻繁再生的缺陷,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,開展“離子交換樹脂制備離子交換膜”的技術攻關。

自此,徐銅文一頭扎進“離子膜的世界”。

1997年,徐銅文入職中國科大,一切從零起步,開展異相膜過渡到均相膜的研究。為了實現均相離子膜連續(xù)制備,徐銅文慕名前往浙江鎮(zhèn)海一家涂布機廠,請教涂布成膜技術,廠長被其真誠所打動,找出600多張技術圖紙相贈。

回來后,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,于是找到一家個體機械廠的老師傅請教,最終將圖紙補充到900多張。為此,他們花了整整十個月的時間,研制了第一臺均相離子膜的連續(xù)浸膠機,為之后“離子膜材料”實現彎道超車打下了技術基礎。

深耕“離子膜”研究近三十載,徐銅文團隊發(fā)表有關“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)明專利100余項,獲得授權95項。根據國際權威數據庫的檢索,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(wěn)居于國際第一,研究水平在國際上處于領先地位。

做“因材施教”的科研布局,將成果從“實驗室”推向“生產線”

厚積薄發(fā),多年來徐銅文獲得諸多學術認可:獲得2018年度國家技術發(fā)明二等獎,2008年、2009年、2021年中國石油化工聯合會科技進步一等獎,侯德榜化工科技創(chuàng)新獎,中國科大-唐立新優(yōu)秀學者獎……在學生眼中,徐銅文具有前瞻性的科研眼光,能根據學生的個性化特點,做“因材施教”的科研布局。

2014年,楊正金從清華大學博士畢業(yè)后,慕名來到中國科大,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(xù)學習?!睏钫鹫f,“我當時選擇了‘多孔材料研究’世界領先的愛丁堡大學,徐老師高瞻遠矚,建議我去哈佛大學學習有機液流電池技術?!?/p>

在徐銅文的舉薦下,楊正金2016年前往美國哈佛大學進行博士后研究。學成后,楊正金將當時國際上最先進的有機液流電池技術帶回中國,如今他已成長為徐銅文團隊核心成員,31歲獲得國家優(yōu)秀青年基金資助,32歲晉升中國科大教授。

自2020年開始,楊正金小組集中精力進行水系有機液流電池專用離子膜的科研攻關,“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(chuàng)新性?!睘榱俗龀鰝鲗詮?、選擇性好的離子膜材料,團隊歷時3年潛心研究,花了近兩年時間進行論文撰寫、修改以及數據補充。

多年來,徐銅文培養(yǎng)了眾多優(yōu)秀人才。截至目前,他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擔任(副)教授職位。他將科研和育人相結合,正如他寫的一首詩:“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(chuàng)效益,騰飛中華強國為魂。”

“目前的研究范式偏向量體裁衣,就是針對某一個應用對象,預測滿足這種膜性能需要什么樣的材料、修飾、化學反應、制備工藝等,再通過倒推來解決膜結構與膜性能的定量關系、膜使用過程中結構演變或性能變化等關鍵性問題,最終實現制膜、選膜、應用流程的成本最低?!毙煦~文的團隊中,有7位年輕骨干、9位博士后、60余位研究生。徐銅文根據各自特點,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。

“未來我們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(fā)及其規(guī)?;苽?,逐步推動儲能技術產業(yè)化;二是希望實現堿性膜以及堿性膜電解水制氫產業(yè)化;三是發(fā)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(huán)保問題?!毙煦~文介紹,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”。(中青報·中青網記者 王磊)

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