受西瓜皮啟發，離子交換膜設計有了新思路

記者9月5日獲悉，西湖大學未來産業研究中心、理學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於電化學二氧化碳還原反應中，其展現出高離子電導率和高防産物透過性。受此啟發，研究團隊提出了一種構建新型離子傳輸膜（ITMs）的策略。相關研究日前發表于《自然·通訊》期刊。

此次研究始於一次意外。2021年，團隊成員劉清路和唐堂博士將西瓜放入冰箱速凍層，幾天后發現西瓜皮膜在解凍後自然脫落。唐堂由此産生靈感，認為西瓜皮可能是一種天然的離子傳輸膜。隨後，他們將西瓜皮膜放入電化學二氧化碳還原反應測試裝置，發現其能正常工作，且性能不亞於商業化離子交換膜。

為深入探究西瓜皮膜的離子選擇性原理，孫立成團隊展開了跨學科研究。研究團隊進一步發現，西瓜皮的皮下層膜表現出色，在1摩爾每升的氫氧化鉀中浸泡後，室溫下的氫氧根離子電導率優於1摩爾每升氫氧化鉀水溶液本身的離子電導率。這意味著西瓜皮膜能夠加速氫氧根離子的傳輸。

為什麼西瓜皮膜只讓氫氧根離子通過，而排斥了酸根離子？經過深入研究，團隊揭示了西瓜皮膜在二氧化碳電化學還原中離子選擇性透過的機理。

“填充在西瓜皮細胞壁奈米通道裏的果膠形成的微孔結構，以及通過微孔限域作用形成的連續氫鍵網路，對氫氧根離子的傳輸起到了關鍵作用。”孫立成解釋，簡單來説，氫氧根離子通過微孔結構和氫鍵網路實現高效傳遞，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裏的羥基形成氫鍵，但酸根離子無法通過氫鍵網路傳遞，因此被“拖住”了。

離子傳輸膜是電化學二氧化碳還原反應、電解水和燃料電池等可再生能源轉換與存儲系統的關鍵部件，其性能直接影響能源轉換效率和産物收整合本。“目前廣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出了優異的性能，為解決現有離子傳輸膜的問題提供了新的思路和方法。”孫立成説。

據悉，基於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計，並製備了分別用於電解水以及電化學二氧化碳還原反應的陰離子交換膜，展現出優異性能。目前研究團隊正推進後續研發。