受西瓜皮启发，离子交换膜设计有了新思路

受西瓜皮启发，离子交换膜设计有了新思路

记者9月5日获悉，西湖大学未来产业研究中心、理学院人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成团队将西瓜皮膜用于电化学二氧化碳还原反应中，其展现出高离子电导率和高防产物透过性。受此启发，研究团队提出了一种构建新型离子传输膜的策略。相关研究日前发表于《自然·通讯》期刊。

此次研究始于一次意外。2021年，团队成员刘清路和唐堂博士将西瓜放入冰箱速冻层，几天后发现西瓜皮膜在解冻后自然脱落。唐堂由此产生灵感，认为西瓜皮可能是一种天然的离子传输膜。随后，他们将西瓜皮膜放入电化学二氧化碳还原反应测试装置，发现其能正常工作，且性能不亚于商业化离子交换膜。

为深入探究西瓜皮膜的离子选择性原理，孙立成团队展开了跨学科研究。研究团队进一步发现，西瓜皮的皮下层膜表现出色，在1摩尔每升的氢氧化钾中浸泡后，室温下的氢氧根离子电导率优于1摩尔每升氢氧化钾水溶液本身的离子电导率。这意味着西瓜皮膜能够加速氢氧根离子的传输。

为什么西瓜皮膜只让氢氧根离子通过，而排斥了酸根离子？经过深入研究，团队揭示了西瓜皮膜在二氧化碳电化学还原中离子选择性透过的机理。

“填充在西瓜皮细胞壁纳米通道里的果胶形成的微孔结构，以及通过微孔限域作用形成的连续氢键网络，对氢氧根离子的传输起到了关键作用。” 孙立成解释，简单来说，氢氧根离子通过微孔结构和氢键网络实现高效传递，如同上了高速公路；而酸根离子则因与果胶中富含的羧酸根“同性相斥”，同时还与果胶和纤维素里的羟基形成氢键，但酸根离子无法通过氢键网络传递，因此被“拖住”了。

离子传输膜是电化学二氧化碳还原反应、电解水和燃料电池等可再生能源转换与存储系统的关键部件，其性能直接影响能源转换效率和产物收集成本。“目前广泛使用的离子传输膜存在诸多局限，而此次研究的西瓜皮膜展现出了优异的性能，为解决现有离子传输膜的问题提供了新的思路和方法。” 孙立成说。

据悉，基于西瓜皮膜的传输机制，孙立成团队正在进行新型离子传输膜设计，并制备了分别用于电解水以及电化学二氧化碳还原反应的阴离子交换膜，展现出优异性能。目前研究团队正推进后续研发。