“離子膜”彎道超車記
離子膜有什么用?
膜材料為我們生產(chǎn)生活提供了安全和便利,比如蔬菜大棚的薄膜,汽車玻璃上的防爆膜,手機(jī)面板上的保護(hù)膜等。膜材料也是燃料電池和液流電池的關(guān)鍵部件,這種用途的膜材料,被稱為離子膜。離子膜,就是含功能基團(tuán)的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。
傳統(tǒng)的離子膜材料,用于傳導(dǎo)離子的通道不夠“堅(jiān)固”,長時(shí)間使用后,結(jié)構(gòu)會發(fā)生老化,從而導(dǎo)致性能下降。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡稱中國科大)徐銅文教授、楊正金教授團(tuán)隊(duì)與合作者設(shè)計(jì)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(dǎo)性-選擇性”相互制約的難題,4月26日,該研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
據(jù)介紹,此類離子膜有望實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)聚合物離子膜的“彎道超車”,為實(shí)現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。
“小薄膜”發(fā)揮“大作用”
作為液流電池、燃料電池等電化學(xué)器件或裝備的關(guān)鍵部件,離子膜既要阻隔正負(fù)極間活性物質(zhì)、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,但傳統(tǒng)離子膜普遍存在“傳導(dǎo)性-選擇性”相互制約、不可兼得的難題。
“就像用篩子篩沙,最好的篩子可以阻隔粗沙(選擇性)、篩選細(xì)沙并使其快速通過(傳導(dǎo)性)?!痹摮晒谝蛔髡摺⑿煦~文團(tuán)隊(duì)博士后左培培介紹,離子膜的研究重點(diǎn),就是如何在膜內(nèi)構(gòu)筑僅允許“細(xì)沙”快速通過的高效通道。
據(jù)了解,團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)在通道壁面進(jìn)行了化學(xué)修飾,使離子在膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)接近在水中的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)近乎“零摩擦”傳導(dǎo),從而打破了傳導(dǎo)性和選擇性間的相互制約關(guān)系。
“該成果涉及的微孔框架離子膜的設(shè)計(jì)理念,還可拓寬至其他功能化框架聚合物膜,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行高性能膜材料的定向設(shè)計(jì)。”徐銅文說。
值得一提的是,此項(xiàng)研究擁有較強(qiáng)的成果轉(zhuǎn)化潛力——基于該核心成果,課題組“水系有機(jī)液流電池組”研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦新興大型儲能技術(shù),與光伏發(fā)電強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,有望解決太陽能、風(fēng)能發(fā)電的間歇性問題,項(xiàng)目孵化的特種離子膜產(chǎn)品也將推向市場。
從“奮力追趕”到“彎道超車”
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(lǐng)域,其初衷是為了支持原子能事業(yè)的發(fā)展。
到20世紀(jì)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。
意識到與國外的差距后,徐銅文義無反顧地扎進(jìn)了“離子膜的世界”。
“我是在何先生啟發(fā)下,開始的‘離子交換樹脂制備離子交換膜’技術(shù)攻關(guān)?!毙煦~文告訴記者,1995年,他跟隨著名高分子化學(xué)家何炳林院士從事博士后研究?!爱?dāng)時(shí),由于技術(shù)限制,離子交換樹脂存在資源浪費(fèi)和需頻繁再生的缺陷,這也成為何老師的‘心病’?!?/p>
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(shí)現(xiàn)均相離子膜連續(xù)制備,我曾慕名前往浙江鎮(zhèn)海一家涂布機(jī)廠,請教涂布成膜技術(shù),廠長被我的真誠所打動(dòng),贈(zèng)送給我600多張技術(shù)圖紙。”回憶起技術(shù)的原始積累,徐銅文感慨不已,“我們回來后就和同事仔細(xì)研究,發(fā)現(xiàn)圖紙存在很多不完整的地方,于是找到一家個(gè)體機(jī)械廠的老師傅請教,最終將圖紙補(bǔ)充到900多張,花了整整10個(gè)月的時(shí)間,研制了第一臺均相離子膜的連續(xù)浸膠機(jī)。”
功夫不負(fù)苦心人,徐銅文團(tuán)隊(duì)的努力,不僅為之后“離子膜材料”的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),也將離子膜研究從過去的“奮力追趕”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬澋莱嚒?,并有望?shí)現(xiàn)從“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。
從“實(shí)驗(yàn)室”推向“生產(chǎn)線”
多年來,團(tuán)隊(duì)獲得諸多學(xué)術(shù)認(rèn)可:榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng),中國石油化工聯(lián)合會科技進(jìn)步一等獎(jiǎng),侯德榜化工科技創(chuàng)新獎(jiǎng)……而在學(xué)生眼中,徐銅文是一個(gè)具有前瞻性科研眼光的老師,能根據(jù)學(xué)生的個(gè)性化特點(diǎn)“因材施教”,并進(jìn)行科研布局。
2014年,楊正金從清華大學(xué)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。
“為拓展課題組研究方向,徐老師建議我去國外繼續(xù)學(xué)習(xí)”,楊正金說,“我當(dāng)時(shí)選擇了‘多孔材料研究’世界領(lǐng)先的愛丁堡大學(xué),徐老師則建議我去哈佛大學(xué)學(xué)習(xí)有機(jī)液流電池技術(shù),讓我能夠更全面地完善科研體系。”
學(xué)成后的楊正金將當(dāng)時(shí)國際上最先進(jìn)的有機(jī)液流電池技術(shù)帶回了中國,如今他已成長為徐銅文團(tuán)隊(duì)核心成員。
2020年開始,楊正金小組集中精力進(jìn)行水系有機(jī)液流電池專用離子膜的科研攻關(guān)?!靶炖蠋煄е覀儯瑢⒄撐那扒昂蠛笮薷牧?0余遍,反復(fù)推敲原理的創(chuàng)新性?!?/p>
為了做出傳導(dǎo)性強(qiáng)、選擇性好的離子膜材料,團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年潛心研究,花了近2年時(shí)間進(jìn)行論文撰寫、修改以及數(shù)據(jù)補(bǔ)充。
目前,徐銅文的研究團(tuán)隊(duì)有7位年輕骨干、9位博士后、60余名研究生。為了讓團(tuán)隊(duì)成員都能發(fā)揮所長,徐銅文根據(jù)各自特點(diǎn),將團(tuán)隊(duì)分成7個(gè)研究小組,分別攻克離子膜材料制備、孔道調(diào)控、表征、膜過程和模擬等不同方向。
“眼下,我們正著手將科研成果逐個(gè)從‘實(shí)驗(yàn)室’推向‘生產(chǎn)線’,并進(jìn)一步圍繞‘雙碳’目標(biāo),著力為中國膜材料研究注入更多‘中國芯’。”這是徐銅文的目標(biāo),也是國產(chǎn)離子膜的下一步方向。
?。ㄓ浾?崔興毅 常河)
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