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】
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”戰略目標和可持續發展提供技術支撐。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，結構可能會發生老化，從而導致性能下降。
徐銅文團隊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，解決了傳統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，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”和代表未來發展趨勢的“均相離子膜”，其在清潔能源、節能減排、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，屬于重點發展的國家戰略新興產業。
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。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的發展。
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制備，徐銅文慕名前往浙江鎮海一家涂布機廠，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，多年來徐銅文獲得諸多學術認可：獲得2018年度國家技術發明二等獎，2008年、2009年、2021年中國石油化工聯合會科技進步一等獎，侯德榜化工科技創新獎，中國科大-唐立新優秀學者獎……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，徐銅文培養了眾多優秀人才。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；創效益，騰飛中華強國為魂?！?/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及其規?；苽?，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?！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）
