杨正金：玩转未来的“膜”法师

“膜材料的应用范围非常广，从海水脱盐到冶金工业中金属离子和废酸碱的分离，再到当下非常热门的燃料电池，但凡涉及离子传导的过程，膜材料都会在其中发挥举足轻重的作用。”中国科大化学与材料科学学院教授杨正金在十多年的科研生涯中，都在与一张轻薄的离子膜“打交道”。这张看似“无足轻重”的膜却是国家低碳能源体系建设、传统工业过程低碳流程再造等领域的核心材料。

打破“跷跷板”难题

在能源存储领域，有一个困扰业界已久的“跷跷板”难题：水系有机液流电池中，传统的离子膜要么电阻太大，充放电慢，无法快充；要么选择性差，正负极的有机分子会“串门”，导致电池容量衰减，寿命大打折扣。

过去，国外高端离子膜长期垄断市场，尤其在燃料电池领域具有明显的产品优势。但杨正金指出：“那款膜是为特定方向设计的，选择性差，用在液流电池上就不行。我们国家要构建自主的低碳能源体系，不能永远跟在别人后面。”

如何让这张薄膜既“筛得准”又“传得快”，并打破国外垄断？他的破解思路不是卷生产技术，而是给膜“造孔”，实现“换道超车”。

“原理是让离子膜内部贯穿着大量孔道，并将孔道尺寸控制在载流离子和有机活性分子之间。载流离子可以近乎畅通无阻地快速通过，实现低电阻、大电流快充；而个头大的、我们不想让过的分子则被牢牢‘挡在门外’。”杨正金介绍道。

“最理想的成果是让离子在膜里的扩散系数几乎和在水里一样。”杨正金打了个比方，“就好像离子根本没感觉到有膜存在，依然在水溶液里自由移动。”

这种近乎无摩擦的离子传导也突破了离子限域传递的“电荷不对称”效应，基于该研究成果，杨正金团队开发的三嗪微孔框架离子膜成功突破了水系有机液流电池的商业化瓶颈，打破了国外在高端离子膜领域长期的技术封锁。

十年磨一“膜”

“给膜造孔”这个想法看似简单，却花费了杨正金十余年时间。

“博士在读期间我做的是传统化工的汽油脱硫膜，这个固然重要，但膜材料在能源领域的应用前景更广，也是国家大力推广、急需新型人才加入的领域。”杨正金回忆道，博士答辩结束当天，他便将博士后申请意向发给了国内膜领域的顶尖专家、中国科大教授徐铜文，自此开始攻坚离子膜难题。

从材料设计、制备、表征到器件验证，杨正金和团队围绕这一难题反复论证，总结修改，产出了不少成果，其中一篇发表于全球顶级期刊《自然》的论文前后共修改了四十多遍，耗时两年多。

“还记得第一代材料做出来时，确实有孔，但化学稳定性不行，在碱性环境里一泡就降解。”杨正金说。2019年，团队研制出第二代自具微孔材料，稳定性解决了，但电阻依然不够理想。

问题出在哪里？杨正金用一个生动的比喻解释：“离子在孔道里走，如果孔壁的分子链是柔性的，会‘晃动’，就像人走在浮桥上，桥在动，人就走得慢。我们想让这座‘桥’变成钢筋混凝土的，固定住。”

经过无数次尝试，他们开发出第三代“微孔框架离子膜”，通过像搭积木一样搭建三维框架，将分子链运动牢牢限制住。离子的传导通路从此变成了“高速公路”。

“花费十余年就是为了无限接近膜性能的上限，找到‘天花板’。”杨正金说，“电阻越大，离子通过速度越慢。单从电阻这一指标来看，我们现在的膜电阻比最初版本降低了近10倍。”

未来的“膜法”有无限可能

目前，杨正金团队研制的膜能高效稳定地驱动能源转化和储存装置，应用于水系有机液流电池中，功率和能量效率相比商业膜有了大幅提升。

“对我来说，做出一个真正有用的产品，比发表一二十篇论文更有成就感。”他说，“我在论文方面并不‘高产’，只希望自己的工作有原创性。”

如今，这种理念正在变为现实。团队通过专利许可，与国内储能公司合作，将微孔离子膜推向市场。目前，全国已有约十几个推广或示范项目落地，技术甚至开始“出海”。

但离子膜的“可能性”远不止于此，提及未来，杨正金为记者介绍了一个更具想象力的应用方向：“我们人体的所有动作、思维、记忆都依靠离子传输产生电位。如果能把离子膜的离子传递机制与仿生学、生物学结合，也许能应用于脑机接口，甚至实现‘生物计算’。”

“下一个阶段，为了响应习近平总书记提出的在2060年前实现碳中和的构想，我们希望通过‘膜法’将具有波动性的可再生能源（如风能，太阳能等）产生的电能转化为更加稳定的氢能。”杨正金说。