記者9月4日獲悉，西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心、理學(xué)院人工光合作用與太陽(yáng)能燃料中心孫立成團(tuán)隊(duì)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(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)表在《自然·通訊》期刊。

此次研究過(guò)程始于一次意外。2021年，團(tuán)隊(duì)成員劉清路和唐堂博士在實(shí)驗(yàn)加班時(shí)，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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)展開(kāi)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（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(guò)，而排斥了酸根離子？經(jīng)過(guò)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(guò)的機(jī)理。

“填充在西瓜皮細(xì)胞壁納米通道里的果膠形成的微孔結(jié)構(gòu)，以及通過(guò)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(lái)說(shuō)，氫氧根離子通過(guò)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)還與果膠和纖維素里的羥基形成氫鍵，但酸根離子無(wú)法通過(guò)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。“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(xiàn)出了優(yōu)異的性能，為解決現(xiàn)有離子傳輸膜的問(wèn)題提供了新的思路和方法?！?孫立成說(shuō)。

據(jù)悉，基于西瓜皮膜的傳輸機(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)，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(jìn)階段。

（科技日?qǐng)?bào)記者 劉園園）