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徐铜文（左）、杨正金（中）、左培培（右）一起讨论离子膜相关问题。中国科大供图
中国科学技术大学（以下简称中国科大）徐铜文教授、杨正金教授团队与合作者设计了一类新型离子膜——微孔框架聚合物离子膜，有望实现国产聚合物离子膜的弯道超车。4月26日，该研究成果以“Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes”为题登上《自然》杂志。 离子膜是什么？有什么作用？应用于哪些领域？本文将围绕这些问题对离子膜进行介绍。 什么是离子膜？从HCl/FeCl2 溶液中回收 HCl 时离子穿过 PECs/PVA 膜的示意图
（图片来源：离子交换膜的发展态势与应用展望[J].化工进展,2016,35(06):1774-1785.） 离子膜，就是含功能基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。 离子膜是膜状的离子交换树脂，包括高分子骨架、固定基团及固定基团上的可移动离子3个主要部分，可根据其带电荷的种类不同主要分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。阳离子交换膜能选择透过阳离子而阻挡阴离子的透过；阴离子交换膜能选择透过阴离子而阻挡阳离子的透过。 离子膜是液流电池、燃料电池等电化学器件或装备的关键部件，它既要阻隔正负极间活性物质，防止短路，又要保证离子在充放电过程中高效通过，减少损耗。 历史发展美国科学家Juda在1949年发明了离子膜，并于1950年成功研制了第一张具有商业用途的离子膜，从此离子膜成为一个新的技术领域受到日本及欧美等国的充分重视。 我国离子膜的研究从1958年开始，中国科学院化学研究所首先在国内研制成功了聚乙烯醇异相阴、阳离子交换膜，在北京维尼纶厂进一步改进并投入了生产。60年代中期到70年代末，是我国高子交换膜研究的活跃时期，此间各种均相膜、半均相膜竞相开发。80年代，晨光化工研究院采用聚乙烯辐射接枝甲基丙烯酸二甲胺乙酯制备渗析阴膜。20世纪80年代末到90年代，由于方向和任务的调整，研制单位和人员相应减少，产品在淘汰过程中相对集中，上海化工厂成为异相生产离子膜的主要厂家，后来由于技术扩散，浙江临安、河北邢台、江苏宜兴等也建立了生产异相离子交换膜的工厂，并在原来技术的基础上，对异相膜进行了改进，生产出低渗透异相离子膜，趋于稳定。 直到20世纪末，我国离子膜研究一直局限于从离子交换树脂制备的异相离子膜，其电阻大、选择性差，只能用于初级水处理，与发达国家存在较大差距。由于技术限制，离子交换树脂存在资源浪费、需频繁再生的缺陷。 新型离子膜优势微孔框架聚合物离子膜不仅解决了传统离子膜材料中离子通道老化和吸水溶胀问题，还兼具高选择性和高传导率。 传统离子膜普遍存在吸水后容易发生溶胀变形、结构疏松等问题，特别是长时间使用后，可能会发生结构老化、性能下降。中国科大研究团队经过多年研究，创新性地设计了一种具有贯通亚纳米离子通道的微孔框架离子膜材料，同时在通道中进行了化学修饰，不仅解决了传统离子膜材料中离子通道老化和吸水溶胀问题，还兼具高选择性和高传导率，离子传输更加迅速，在膜内实现了近似无摩擦传导。据介绍，使用该膜组装的液流电池，充放电电流密度可以达到每平方厘米500毫安，是当前普遍报道值的5倍以上。 该成果第一作者、徐铜文团队博士后左培培（文章首图右侧）在接受媒体采访时介绍，离子膜的研究重点，就是如何在膜内构筑仅允许“细沙”快速通过的高效通道。“就像用筛子筛沙，最好的筛子可以阻隔粗沙（选择性）、筛选细沙并使其快速通过（传导性）。”优秀团队为中国膜材料研究注入更多“中国芯”
据了解，目前，徐铜文的研究团队中，有7位年轻骨干、9位博士后、60余名研究生。徐铜文根据其各自特点，将他们分成7个研究小组，分别攻克离子膜材料制备、孔道调控、表征、膜过程和模拟等不同方向。 研究离子膜的近30年里，徐铜文团队发表的有关“膜”的论文达到500多篇，跻身世界离子膜材料研究第一梯队。他们申请的国内外发明专利100余项，获得授权95项。国际数据库（web of science）检索显示，近10年来，徐铜文领导的课题组在离子交换膜方向的论文数量稳居于国际第一，研究水平在国际上处于领先地位。 关于离子膜的未来发展，徐铜文在接受媒体采访时介绍，团队将围绕离子膜重点开展三个方面的应用：一是有机液流电池专用离子膜的开发及其规模化制备，逐步推动储能技术产业化；二是希望实现碱性膜以及碱性膜电解水制氢产业化；三是发力特殊情况的离子膜应用，如高温、高酸、高碱等条件，相应解决一些环保问题。 眼下团队正着手将科研成果逐个从“实验室”推向“生产线”，并进一步围绕“双碳”目标，着力为中国膜材料研究注入更多“中国芯”。 图片来源于网络 资料来源： 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中关村硬创空间集团有限公司属于北京市国有企业，中关村发展集团成员单位，成立于2014年12月，实缴注册资本金1亿元，获A级长期信用资质，公司运营“中关村中试实验室”和“中关村检测认证实验室”。在北京市委、市政府指导下，公司以市场需求为出发点，以专业的中试服务和检测认证服务为支撑，实现“技术-中试-转化-认证-市场”一站式服务，为企业提供“技术方案、工业设计、中试快制、中小批量、检测认证、协同服务、营销推广”七个环节的全生命周期的服务。
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