西湖大学团队提出构建新式离子传输膜战略，创意来自冰冻西瓜

汹涌新闻（www.thepaper.cn）9月4日从西湖大学得悉，该校未来工业研讨中心、理学院孙立成团队近来在Nature Communications上宣布一项突破性研讨成果。他们在西瓜皮膜的启发下，提出了一种构建新式离子传输膜（ITMs）的战略，在电化学二氧化碳复原反响（CO2RR）中展示出杰出的功能。

孙立成团队正在剥离冻结后的西瓜皮膜。本文图均由西湖大学供给

离子传输膜是电化学二氧化碳复原反响、电解水和燃料电池等可再生动力转化与存储系统的要害部件，其功能直接影响到动力转化功率和产品搜集本钱。现在广泛运用的离子传输膜分为四类，但都存在许多限制：多孔隔阂的能量功率低和隔气性差；质子沟通膜依靠贵重的铂族电催化剂；阴离子沟通膜产品搜集本钱高；离子溶剂化膜则依靠于高浓度的氢氧化钾电解液。

西瓜皮膜，是西瓜皮最外侧那层绿色的膜，在冷冻剥离后只要大约75微米，差不多一根头发丝的直径，但却展示出美妙的“规划思想”。

团队的研讨创意来自一个意外被冷冻的西瓜。

2021年端午节，西湖大学刘清路和唐堂两位博士加班做试验，在校门口摊贩那买了西瓜后想冷得快一点，就放到了速冻层。再想起来已几天后了。冻结后，西瓜皮膜一碰就掉。但这却让唐堂瞬间有了一个奇特的主意。唐堂和刘清路评论说，这瓜皮不便是天然的膜吗？这是孙立成院士团队努力的研讨方向之一——离子传输膜。

孙立成一向鼓舞团队成员“师法天然”。团队中一个重要的研讨方向便是学习天然界的光合效果来辅导人工催化剂的规划与开发。使用光能，能够把二氧化碳转化为生命所需的能量物质。那是否能够把空气中的二氧化碳，在特定溶液和通电的条件下，转化成人类需求的有机化合物?比方甲酸、乙酸、乙烯、乙醇等。这便是电化学二氧化碳复原反响，这其间，离子传输膜的效果至关重要。

想入非非的唐堂和刘清路，把西瓜皮膜剥离下来，放入电化学二氧化碳复原反响测验设备。

奇特的是，西瓜皮膜竟然真的能作业！并且展示出不亚于商业化离子沟通膜的功能！

这引起了团队的爱好，并在第一时间向孙立成报告沟通。孙立成很坚定地鼓舞他们谦虚向西瓜皮“学习”，为未来仿生离子传输膜的制备供给辅导。他亲身将该项目命名为“西瓜皮方案”。

抱负的碱性电化学二氧化碳复原反响系统中的离子传输膜要具有挑选透过性，就像一个“拦网”——让电解液中的氢氧根离子（OH-）自在通行，却拦住阴极电解液中的二氧化碳液体产品——例如甲酸根、乙酸根、乙醇等，然后下降别离本钱。

“经过初试”的西瓜皮好像具有这种奇特的才能。

西瓜皮膜示意图，主要由三层组成。Cuticle是最外侧的角质层，Epidermis是上皮层，Hypodermis是皮下组织层。

为什么西瓜皮会呈现这种离子挑选性？

在孙立成的举荐下，刘清路和唐堂请教该校生命科学学院特聘研讨员吴建平和李小波。评论中，教师们置疑或许不是细胞膜通道的效果，由于西瓜皮膜在碱性溶液下，细胞自身现已被损坏。公然，经过荧光辨认剂发现西瓜皮膜的细胞现已逝世，查找规模进一步缩小到细胞壁。

在西湖大学张鑫教授的举荐下，团队成员又与在美国宾夕法尼亚州立大学的顾颖博士进行了沟通，了解到细胞壁的结构和成分的杂乱性。经过多种表征技能手段，研讨团队确定了细胞壁的主要成分——包含纤维素、半纤维素和果胶。

其间纤维素有规则地摆放，构成直径为2到5纳米的三维通道，而果胶均匀填充了这个有规则摆放的三维纤维状通道。

现在，即使人类最顶尖的芯片制作技能，也刚刚能够在5纳米以下的空间里，制作出逻辑电路。这却是对西瓜皮的“底子操作”，“出产图纸”就储存在DNA里。

研讨团队进一步细分西瓜皮膜，发现皮基层体现最佳。优异到什么程度？在1mol/L的氢氧化钾（KOH）中浸泡后的西瓜皮皮基层膜的室温下的氢氧根离子的电导率要优于1mol/L氢氧化钾水溶液自身的离子电导率，也便是说，西瓜皮膜加快了氢氧根离子的传输，让氢氧根离子跑得更快。

怎么学习并仿制“模范生”的才能？

唐堂博士，现为西湖大学副研讨员。

为了获取“名贵”的试验耗材，整个试验室西瓜吃到都快吐了。阅历杂乱而绵长研讨发现，在氢氧根离子传输上，填充在西瓜皮细胞壁纳米通道里的具有微孔结构的果胶经过限域效果构成的接连氢键网络，起了要害的效果，而背面的机制有着如“穿墙术”一般的法力。

水分子（H₂0）由氢氧两种元素组成，一个氧原子和两个氢原子构成V字形结构。尽管水分子在全体上是电中性的，但氧原子的电负性较大，带有部分正电荷的氢原子能与另一个水分子中氧原子的孤对电子相互效果“衔接”在一起，这种效果力被称为氢键。

而细胞壁中的果胶能够经过其外表的羟基官能团构成结合水，然后促进水互相相连，在限域的空间内构成接连的氢键网络。

在这个有序的氢键网络里，氢质子在里面传递，成果造成了氢氧根离子“穿过”了这个网络。

尽管，新发生的氢氧根离子，其实底子不是刚进入氢键网络时那个。但从成果上看，氢氧根离子就这样高效地传递着。

西瓜皮膜内的“离子挑选性传输机制”示意图

但关于酸根离子，氢键网络就没那么“谦让”了，由于酸根离子无法经过氢键网络传递。

研讨团队进一步经过模拟计算发现，果胶中富含的带有负电荷的羧酸根（- COO-）与带负电荷的甲酸根离子，“同性相斥”，阻止了甲酸根的搬迁，试验成果也证明了这一点。

答案逐步显现：一方面，氢氧根离子经过接连的氢键网络和微孔通道加快，好像上了高速公路；另一方面，酸根离子被果胶中的羧酸根排挤，并与果胶和纤维素里的羟基构成氢键，它们被拖住了。

至此，西瓜皮膜的机理总算底子探明。它展示出来的精妙机理，正在辅导试验室进行全新的离子传输膜规划，制备了别离用于电解水以及电化学二氧化碳复原反响的阴离子沟通膜，并展示出超高功能。现在这些后续研制正在推动阶段。

但面临西瓜皮膜内错综杂乱的纳米级通道，以及细胞壁中生物质的杂乱结构和组成，研讨团队仍然不敢说现已全然了解西瓜皮膜的机制。