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受西瓜皮啟發(fā),離子交換膜設(shè)計(jì)有了新思路
記者9月5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(tuán)隊(duì)將西瓜皮膜用於電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)中,其展現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率和高防產(chǎn)物透過性。受此啟發(fā),研究團(tuán)隊(duì)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)表於《自然·通訊》期刊。
此次研究始於一次意外。2021年,團(tuán)隊(duì)成員劉清路和唐堂博士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(rèn)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(cè)試裝置,發(fā)現(xiàn)其能正常工作,且性能不亞於商業(yè)化離子交換膜。
為深入探究西瓜皮膜的離子選擇性原理,孫立成團(tuán)隊(duì)展開了跨學(xué)科研究。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),西瓜皮的皮下層膜表現(xiàn)出色,在1摩爾每升的氫氧化鉀中浸泡后,室溫下的氫氧根離子電導(dǎo)率優(yōu)於1摩爾每升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。
為什麼西瓜皮膜隻讓氫氧根離子通過,而排斥了酸根離子?經(jīng)過深入研究,團(tuán)隊(duì)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(jī)理。
“填充在西瓜皮細(xì)胞壁納米通道裡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(duì)氫氧根離子的傳輸起到了關(guān)鍵作用。” 孫立成解釋,簡(jiǎn)單來說,氫氧根離子通過微孔結(jié)構(gòu)和氫鍵網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shí)還與果膠和纖維素裡的羥基形成氫鍵,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(chǔ)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,基於西瓜皮膜的傳輸機(jī)制,孫立成團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行新型離子傳輸膜設(shè)計(jì),並制備了分別用於電解水以及電化學(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。目前研究團(tuán)隊(duì)正推進(jìn)后續(xù)研發(fā)。
(記者劉園園)
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