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

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)隊與合作者設(shè)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(dǎo)性-選擇性”相互制約的難題，團(tuán)隊研究歷程中也應(yīng)用了由數(shù)據(jù)智能驅(qū)動的精準(zhǔn)化學(xué)研究范式。4月26日，該研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)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(tuán)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(chǎn)生活提供大便利。據(jù)研究團(tuán)隊介紹，此類離子膜有望實現(xiàn)國產(chǎn)聚合物離子膜的“彎道超車”，為實現(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。其研制成功的背后，凝聚著一群年輕科研人的攻關(guān)和努力。

像篩沙子一樣既要阻隔粗沙，又要讓細(xì)沙快速通過

離子膜是電化學(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，而傳統(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。

該成果論文第一作者、徐銅文團(tuán)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(xì)沙并使其快速通過（傳導(dǎo)性），但是篩子孔小的，粗沙過不去、細(xì)沙流得也慢（傳導(dǎo)性差）；篩子孔大的，粗沙細(xì)沙都能過去（選擇性差）。離子膜的研究重點，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)研究團(tuán)隊介紹，傳統(tǒng)的離子膜材料，用于傳導(dǎo)離子的通道不夠“堅固”，長時間使用后，結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生老化，從而導(dǎo)致性能下降。

徐銅文團(tuán)隊創(chuàng)新性地設(shè)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(tuán)隊在通道壁面進(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)，實現(xiàn)近乎“零摩擦”地傳導(dǎo)，從而打破了傳導(dǎo)性和選擇性間的相互制約關(guān)系。

楊正金介紹，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，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(zhuǎn)換與儲存等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。離子膜關(guān)鍵材料及裝備技術(shù)，屬于重點發(fā)展的國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。

一頭扎進(jìn)“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(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，與發(fā)達(dá)國家存在較大差距。21世紀(jì)以來，在以徐銅文教授等為代表的中國科學(xué)家的努力下，我國的離子膜研究已經(jīng)從最初的“奮力追趕”，來到目前有望實現(xiàn)“彎道超車”。

1995年，徐銅文跟隨我國著名高分子化學(xué)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(dāng)時，由于技術(shù)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(shù)攻關(guān)。

自此，徐銅文一頭扎進(jìn)“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(xiàn)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(jī)廠，請教涂布成膜技術(shù)，廠長被其真誠所打動，找出600多張技術(shù)圖紙相贈。

回來后，徐銅文和同事仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)圖紙存在很多不完整的地方，于是找到一家個體機(jī)械廠的老師傅請教，最終將圖紙補(bǔ)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(jī)，為之后“離子膜材料”實現(xiàn)彎道超車打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

深耕“離子膜”研究近三十載，徐銅文團(tuán)隊發(fā)表有關(guān)“膜”的論文達(dá)到500多篇，已躋身世界離子膜材料研究第一梯隊；申請國內(nèi)外發(fā)明專利100余項，獲得授權(quán)95項。根據(jù)國際權(quán)威數(shù)據(jù)庫的檢索，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)居于國際第一，研究水平在國際上處于領(lǐng)先地位。

做“因材施教”的科研布局，將成果從“實驗室”推向“生產(chǎn)線”

厚積薄發(fā)，多年來徐銅文獲得諸多學(xué)術(shù)認(rèn)可：獲得2018年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎，2008年、2009年、2021年中國石油化工聯(lián)合會科技進(jìn)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(xué)者獎……在學(xué)生眼中，徐銅文具有前瞻性的科研眼光，能根據(jù)學(xué)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(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?！盀橥卣拐n題組研究方向，徐老師建議我去國外繼續(xù)學(xué)習(xí)?！睏钫鹫f，“我當(dāng)時選擇了‘多孔材料研究’世界領(lǐng)先的愛丁堡大學(xué)，徐老師高瞻遠(yuǎn)矚，建議我去哈佛大學(xué)學(xué)習(xí)有機(jī)液流電池技術(shù)?！?/p>

在徐銅文的舉薦下，楊正金2016年前往美國哈佛大學(xué)進(jìn)行博士后研究。學(xué)成后，楊正金將當(dāng)時國際上最先進(jìn)的有機(jī)液流電池技術(shù)帶回中國，如今他已成長為徐銅文團(tuán)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(jìn)行水系有機(jī)液流電池專用離子膜的科研攻關(guān)，“徐老師帶著我們，將論文前前后后修改了40余遍，反復(fù)推敲原理的創(chuàng)新性?！睘榱俗龀鰝鲗?dǎo)性強(qiáng)、選擇性好的離子膜材料，團(tuán)隊歷時3年潛心研究，花了近兩年時間進(jìn)行論文撰寫、修改以及數(shù)據(jù)補(bǔ)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(dǎo)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(nèi)外知名大學(xué)擔(dān)任（副）教授職位。他將科研和育人相結(jié)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(yuǎn)大能屈能伸；興科技，學(xué)以致用為國為民；創(chuàng)效益，騰飛中華強(qiáng)國為魂?！?/p>

“目前的研究范式偏向量體裁衣，就是針對某一個應(yīng)用對象，預(yù)測滿足這種膜性能需要什么樣的材料、修飾、化學(xué)反應(yīng)、制備工藝等，再通過倒推來解決膜結(jié)構(gòu)與膜性能的定量關(guān)系、膜使用過程中結(jié)構(gòu)演變或性能變化等關(guān)鍵性問題，最終實現(xiàn)制膜、選膜、應(yīng)用流程的成本最低?！毙煦~文的團(tuán)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(jù)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(diào)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(yīng)用：一是有機(jī)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(shù)產(chǎn)業(yè)化；二是希望實現(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?！毙煦~文介紹，眼下團(tuán)隊正著手將科研成果逐個從“實驗室”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”。（中青報·中青網(wǎng)記者 王磊）

關(guān)鍵詞：