跟着西瓜“学艺”，西湖大学团队提出构建新型离子传输膜策略

当个生活有心人，一只西瓜就能教会我们“穿墙术”？

近日，记者从西湖大学获悉，该校未来产业研究中心、理学院孙立成团队在Nature Communications上发表了一项突破性研究成果。他们在西瓜皮膜的启发下，提出了一种构建新型离子传输膜（ITMs）的策略，在电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）中展现出卓越的性能。

孙立成团队正在剥离解冻后的西瓜皮膜 本文图片均有西湖大学提供

电化学二氧化碳还原反应（‌CO2RR）是一种利用电能将二氧化碳（CO2）转化为高附加值的化学品或燃料的技术。这一过程不仅可以将CO2这种温室气体转化为有用的资源，减少其对环境的负面影响，还可以将可再生能源如太阳能、风能等转化为高能量密度的燃料储存形式，具有重要的现实意义。

离子传输膜作为电化学二氧化碳还原反应、电解水和燃料电池等可再生能源转换与存储系统中的关键部件，其性能直接影响到能源转换效率和产物收集成本，在清洁能源、节能减排、能量转换与储存等方面有着广泛的应用前景。目前广泛使用的离子传输膜分为四类，但都存在诸多局限：多孔隔膜的能量效率低和隔气性差；质子交换膜依赖昂贵的铂族电催化剂；阴离子交换膜产物收集成本高；离子溶剂化膜则依赖于高浓度的氢氧化钾电解液。

孙立成团队一直致力于离子传输膜的研究。而此次科研成果的灵感，竟来自一个意外被冷冻的西瓜。

西湖大学博士刘清路

2021年端午节，西湖大学刘清路和唐堂两位博士解冻了一只在冰箱里冷冻了好几天的西瓜。一碰西瓜皮，一层薄薄的只有大概75微米，差不多一根头发丝直径的西瓜皮膜掉了下来。这瓜皮不就是天然的膜吗？于是，异想天开的唐堂和刘清路，把西瓜皮膜放入了电化学二氧化碳还原反应测试装置。而神奇西瓜瓜皮膜，也展现出了不亚于商业化离子交换膜的性能。

这引起了团队的兴趣，孙立成还将该项目命名为“西瓜皮计划”。

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

从西瓜上学习“科学道理”，研究开始向跨学科延伸。此后，团队先后向西湖大学生命科学学院特聘研究员吴建平和李小波，美国宾夕法尼亚州立大学的顾颖博士等专家虚心求教，并经历了漫长艰难的研究后发现，填充在西瓜皮细胞壁纳米通道里的具有微孔结构的果胶可以通过其表面的羟基官能团形成结合水，从而促进水彼此相连，在限域的空间内形成连续的氢键网络。而这里的连续氢键网络，在氢氧根离子传输上，起了关键的作用。“这背后的机制有着如‘穿墙术’一般的魔力。”团队成员表示。

通过进一步模拟计算，研究团队发现，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”，阻碍了甲酸根的迁移。一方面，氢氧根离子通过连续的氢键网络和微孔通道加速，如同上了高速公路；另一方面，酸根离子被果胶中的羧酸根排斥，并与果胶和纤维素里的羟基形成氢键，它们被拖住了。

如今，西瓜皮膜展现出来的精妙机理，正在指导实验室进行全新的离子传输膜设计，制备了分别用于电解水以及电化学二氧化碳还原反应的阴离子交换膜，并展现出超高性能。目前这些后续研发正在推进阶段。