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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(guān)問題。中國(guó)科大供圖

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)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，有望實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)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(yīng)用于哪些領(lǐng)域？本文將圍繞這些問題對(duì)離子膜進(jìn)行介紹。 什么是離子膜？

從HCl/FeCl2 溶液中回收 HCl 時(shí)離子穿過 PECs/PVA 膜的示意圖

（圖片來源：離子交換膜的發(fā)展態(tài)勢(shì)與應(yīng)用展望[J].化工進(jìn)展,2016,35(06):1774-1785.） 離子膜，就是含功能基團(tuán)的、對(duì)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(tuán)及固定基團(tuán)上的可移動(dòng)離子3個(gè)主要部分，可根據(jù)其帶電荷的種類不同主要分為陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜。陽(yáng)離子交換膜能選擇透過陽(yáng)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(yáng)離子的透過。 離子膜是液流電池、燃料電池等電化學(xué)器件或裝備的關(guān)鍵部件，它既要阻隔正負(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。 歷史發(fā)展美國(guó)科學(xué)家Juda在1949年發(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，從此離子膜成為一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域受到日本及歐美等國(guó)的充分重視。 我國(guó)離子膜的研究從1958年開始，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所首先在國(guó)內(nèi)研制成功了聚乙烯醇異相陰、陽(yáng)離子交換膜，在北京維尼綸廠進(jìn)一步改進(jìn)并投入了生產(chǎn)。60年代中期到70年代末，是我國(guó)高子交換膜研究的活躍時(shí)期，此間各種均相膜、半均相膜競(jìng)相開發(fā)。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(jì)80年代末到90年代，由于方向和任務(wù)的調(diào)整，研制單位和人員相應(yīng)減少，產(chǎn)品在淘汰過程中相對(duì)集中，上海化工廠成為異相生產(chǎn)離子膜的主要廠家，后來由于技術(shù)擴(kuò)散，浙江臨安、河北邢臺(tái)、江蘇宜興等也建立了生產(chǎn)異相離子交換膜的工廠，并在原來技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)異相膜進(jìn)行了改進(jìn)，生產(chǎn)出低滲透異相離子膜，趨于穩(wěn)定。 直到20世紀(jì)末，我國(guó)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(jí)水處理，與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距。由于技術(shù)限制，離子交換樹脂存在資源浪費(fèi)、需頻繁再生的缺陷。 新型離子膜優(yōu)勢(shì)微孔框架聚合物離子膜不僅解決了傳統(tǒng)離子膜材料中離子通道老化和吸水溶脹問題，還兼具高選擇性和高傳導(dǎo)率。 傳統(tǒng)離子膜普遍存在吸水后容易發(fā)生溶脹變形、結(jié)構(gòu)疏松等問題，特別是長(zhǎng)時(shí)間使用后，可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)老化、性能下降。中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年研究，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，同時(shí)在通道中進(jìn)行了化學(xué)修飾，不僅解決了傳統(tǒng)離子膜材料中離子通道老化和吸水溶脹問題，還兼具高選擇性和高傳導(dǎo)率，離子傳輸更加迅速，在膜內(nèi)實(shí)現(xiàn)了近似無摩擦傳導(dǎo)。據(jù)介紹，使用該膜組裝的液流電池，充放電電流密度可以達(dá)到每平方厘米500毫安，是當(dāng)前普遍報(bào)道值的5倍以上。 該成果第一作者、徐銅文團(tuán)隊(duì)博士后左培培（文章首圖右側(cè)）在接受媒體采訪時(shí)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。“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）。”

優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)為中國(guó)膜材料研究注入更多“中國(guó)芯”

據(jù)了解，目前，徐銅文的研究團(tuán)隊(duì)中，有7位年輕骨干、9位博士后、60余名研究生。徐銅文根據(jù)其各自特點(diǎn)，將他們分成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。 研究離子膜的近30年里，徐銅文團(tuán)隊(duì)發(fā)表的有關(guān)“膜”的論文達(dá)到500多篇，躋身世界離子膜材料研究第一梯隊(duì)。他們申請(qǐng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利100余項(xiàng)，獲得授權(quán)95項(xiàng)。國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)（web of science）檢索顯示，近10年來，徐銅文領(lǐng)導(dǎo)的課題組在離子交換膜方向的論文數(shù)量穩(wěn)居于國(guó)際第一，研究水平在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。 關(guān)于離子膜的未來發(fā)展，徐銅文在接受媒體采訪時(shí)介紹，團(tuán)隊(duì)將圍繞離子膜重點(diǎn)開展三個(gè)方面的應(yīng)用：一是有機(jī)液流電池專用離子膜的開發(fā)及其規(guī)模化制備，逐步推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化；二是希望實(shí)現(xiàn)堿性膜以及堿性膜電解水制氫產(chǎn)業(yè)化；三是發(fā)力特殊情況的離子膜應(yīng)用，如高溫、高酸、高堿等條件，相應(yīng)解決一些環(huán)保問題。 眼下團(tuán)隊(duì)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(guó)膜材料研究注入更多“中國(guó)芯”。 圖片來源于網(wǎng)絡(luò) 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

中關(guān)村硬創(chuàng)空間集團(tuán)有限公司屬于北京市國(guó)有企業(yè)，中關(guān)村發(fā)展集團(tuán)成員單位，成立于2014年12月，實(shí)繳注冊(cè)資本金1億元，獲A級(jí)長(zhǎng)期信用資質(zhì)，公司運(yùn)營(yíng)“中關(guān)村中試實(shí)驗(yàn)室”和“中關(guān)村檢測(cè)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室”。在北京市委、市政府指導(dǎo)下，公司以市場(chǎng)需求為出發(fā)點(diǎn)，以專業(yè)的中試服務(wù)和檢測(cè)認(rèn)證服務(wù)為支撐，實(shí)現(xiàn)“技術(shù)-中試-轉(zhuǎn)化-認(rèn)證-市場(chǎng)”一站式服務(wù)，為企業(yè)提供“技術(shù)方案、工業(yè)設(shè)計(jì)、中試快制、中小批量、檢測(cè)認(rèn)證、協(xié)同服務(wù)、營(yíng)銷推廣”七個(gè)環(huán)節(jié)的全生命周期的服務(wù)。

公司的30多個(gè)實(shí)驗(yàn)室覆蓋14省，管理中試實(shí)驗(yàn)室基地面積20多萬(wàn)平米，擁有10億+元中試檢測(cè)認(rèn)證設(shè)備，提供超10000+項(xiàng)自有服務(wù)內(nèi)容，服務(wù)超10萬(wàn)+次企業(yè)，擁有3000+家上下游產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)百項(xiàng)科技成果轉(zhuǎn)化，孵化10+家上市公司，引入高科技企業(yè)帶動(dòng)1000多億產(chǎn)值。聯(lián)動(dòng)200多家國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試、認(rèn)證、資質(zhì)共認(rèn)等服務(wù)，獲得CNAS認(rèn)證、CMA認(rèn)證、安防資質(zhì)、建筑資質(zhì)、裝修資質(zhì)、國(guó)家二級(jí)保密資質(zhì)、軍工四證等幾十項(xiàng)國(guó)家的認(rèn)證，百項(xiàng)專利、百項(xiàng)榮譽(yù)。

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