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受西瓜皮啟發(fā)，我國科研團隊提出新型離子傳輸膜設(shè)計策略
記者9月4日獲悉，西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心、理學(xué)院人工光合作用與太陽能燃料中心孫立成團隊將西瓜皮膜用于電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)中，其展現(xiàn)出卓越的性能。受此啟發(fā)，研究團隊提出了一種構(gòu)建新型離子傳輸膜（ITMs）的策略。相關(guān)研究日前發(fā)表在《自然·通訊》期刊。
此次研究過程始于一次意外。2021年，團隊成員劉清路和唐堂博士在實驗加班時，將西瓜放入冰箱速凍層，幾天后發(fā)現(xiàn)西瓜皮膜在解凍后自然脫落。唐堂由此產(chǎn)生靈感，認為西瓜皮可能是一種天然的離子傳輸膜。隨后，他們將西瓜皮膜放入電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)測試裝置，發(fā)現(xiàn)其竟能正常工作，且性能不亞于商業(yè)化離子交換膜。
孫立成團隊正在剝離解凍后的西瓜皮膜。西湖大學(xué)供圖
為深入探究西瓜皮膜的離子選擇性原理，孫立成團隊展開了跨學(xué)科研究。研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)，西瓜皮的皮下層膜表現(xiàn)出色，在1摩爾每升（mol/L）的氫氧化鉀中浸泡后，其室溫下的氫氧根離子電導(dǎo)率優(yōu)于1mol/L氫氧化鉀水溶液本身的離子電導(dǎo)率。這意味著西瓜皮膜能夠加速氫氧根離子的傳輸。
為什么西瓜皮膜只讓氫氧根離子通過，而排斥了酸根離子？經(jīng)過深入研究，團隊揭示了西瓜皮膜在二氧化碳電化學(xué)還原中離子選擇性透過的機理。
“填充在西瓜皮細胞壁納米通道里的果膠形成的微孔結(jié)構(gòu)，以及通過微孔限域作用形成的連續(xù)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，對氫氧根離子的傳輸起到了關(guān)鍵作用?！?孫立成解釋，簡單來說，氫氧根離子通過微孔結(jié)構(gòu)和氫鍵網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高效傳遞，如同上了高速公路；而酸根離子則因與果膠中富含的羧酸根“同性相斥”，同時還與果膠和纖維素里的羥基形成氫鍵，但酸根離子無法通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)傳遞，因此被“拖住”了。
離子傳輸膜是電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)、電解水和燃料電池等可再生能源轉(zhuǎn)換與存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響能源轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)物收集成本?！澳壳皬V泛使用的離子傳輸膜存在諸多局限，而此次研究的西瓜皮膜展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，為解決現(xiàn)有離子傳輸膜的問題提供了新的思路和方法?！?孫立成說。
據(jù)悉，基于西瓜皮膜的傳輸機制，孫立成團隊正在進行新型離子傳輸膜設(shè)計，并制備了分別用于電解水以及電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)的陰離子交換膜，展現(xiàn)出優(yōu)異性能。目前這些后續(xù)研發(fā)正在推進階段。
（科技日報記者 劉園園）
- 原標題：科研團隊受西瓜皮啟發(fā)提出新型離子傳輸膜設(shè)計策略
- 責任編輯: 房佶宜
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