探索离子溶剂化膜的新突破：西瓜皮启发的高性能材料

在现代社会，电化学能量转换和储存装置是实现可持续能源解决方案的关键技术。其中，离子溶剂化膜（Ion Solvating Membranes, ISMs）作为这些装置的核心部件，其性能直接影响到装置的效率和稳定性。然而，开发具有低离子阻力和高离子选择性的ISMs一直是一项科学挑战。

2024年8月7日，西湖大学孙立成院士团队在《Nature Communications》期刊上发表了题为“A high-performance watermelon skin ion-solvating membrane for electrochemical CO2 reduction”的研究论文，为ISMs的发展带来了革命性的进展。

该研究的灵感来源于自然界中的西瓜皮，研究团队发现西瓜皮的下皮层具有高离子电导率，这得益于其内部的微孔和连续的氢键网络。通过冷冻-剥离法获得的西瓜皮膜（Watermelon Skin Membrane, WSM），在纤维素纤维和果胶的协同作用下，展现出了卓越的离子传输性能。

为了深入理解WSM的离子传输机制，研究团队采用了实验研究和分子动力学模拟相结合的方法。模拟结果表明，WSM内部的微孔和氢键网络通过载体机制和Grotthuss机制有效加速了氢氧化物的迁移。同时，微孔通道上的负电荷基团和羟基增加了甲酸盐渗透阻力，这对CO2电还原至关重要。

该研究提出了一种新的ISMs设计策略，即通过设计三维有序框架结构构建纳米通道以提高氢氧化物的传输效率，并在三维框架结构中限制富含质子供体和带负电基团的超微孔聚合物，建立具有离子选择性的高速离子传输通道。

研究团队进一步验证了WSM在电化学CO2还原反应（CO2RR）中的应用。实验结果显示，WSM具有出色的离子传导性（高达282.3 mS cm-1，室温，1 M KOH饱和）和阴离子选择性。在CO2RR流动池中，WSM作为ISM时，系统能够达到高电流密度，并且显著降低了甲酸盐交叉率，显示出了优异的性能。

这项研究不仅为理解生物膜中的离子传输机制提供了宝贵见解，也为设计先进的ISMs带来了启发。WSM的成功应用展示了天然材料在高性能技术中的应用潜力，同时也为解决能源存储和转换领域的挑战提供了新的思路。

随着对WSM离子传输机制的进一步研究，以及其他天然材料的探索，我们可以期待未来将有更多的高性能ISMs被开发出来，以满足日益增长的能源和环境需求。这些研究成果有望推动电化学装置的效率和稳定性，为实现清洁能源的广泛应用提供坚实的基础。