跟著西瓜“學藝”，西湖大學團隊提出構建新型離子傳輸膜策略

當個生活有心人，一只西瓜就能教會我們“穿墻術”？

近日，記者從西湖大學獲悉，該校未來產業(yè)研究中心、理學院孫立成團隊在Nature Communications上發(fā)表了一項突破性研究成果。他們在西瓜皮膜的啟發(fā)下，提出了一種構建新型離子傳輸膜（ITMs）的策略，在電化學二氧化碳還原反應（CO2RR）中展現出卓越的性能。

孫立成團隊正在剝離解凍后的西瓜皮膜 本文圖片均有西湖大學提供

電化學二氧化碳還原反應（?CO2RR）是一種利用電能將二氧化碳（CO2）轉化為高附加值的化學品或燃料的技術。這一過程不僅可以將CO2這種溫室氣體轉化為有用的資源，減少其對環(huán)境的負面影響，還可以將可再生能源如太陽能、風能等轉化為高能量密度的燃料儲存形式，具有重要的現實意義。

離子傳輸膜作為電化學二氧化碳還原反應、電解水和燃料電池等可再生能源轉換與存儲系統(tǒng)中的關鍵部件，其性能直接影響到能源轉換效率和產物收集成本，在清潔能源、節(jié)能減排、能量轉換與儲存等方面有著廣泛的應用前景。目前廣泛使用的離子傳輸膜分為四類，但都存在諸多局限：多孔隔膜的能量效率低和隔氣性差；質子交換膜依賴昂貴的鉑族電催化劑；陰離子交換膜產物收集成本高；離子溶劑化膜則依賴于高濃度的氫氧化鉀電解液。

孫立成團隊一直致力于離子傳輸膜的研究。而此次科研成果的靈感，竟來自一個意外被冷凍的西瓜。

西湖大學博士劉清路

2021年端午節(jié)，西湖大學劉清路和唐堂兩位博士解凍了一只在冰箱里冷凍了好幾天的西瓜。一碰西瓜皮，一層薄薄的只有大概75微米，差不多一根頭發(fā)絲直徑的西瓜皮膜掉了下來。這瓜皮不就是天然的膜嗎？于是，異想天開的唐堂和劉清路，把西瓜皮膜放入了電化學二氧化碳還原反應測試裝置。而神奇西瓜瓜皮膜，也展現出了不亞于商業(yè)化離子交換膜的性能。

這引起了團隊的興趣，孫立成還將該項目命名為“西瓜皮計劃”。

西瓜皮膜示意圖，主要由三層組成。Cuticle是最外側的角質層，Epidermis是上皮層，Hypodermis是皮下組織層

從西瓜上學習“科學道理”，研究開始向跨學科延伸。此后，團隊先后向西湖大學生命科學學院特聘研究員吳建平和李小波，美國賓夕法尼亞州立大學的顧穎博士等專家虛心求教，并經歷了漫長艱難的研究后發(fā)現，填充在西瓜皮細胞壁納米通道里的具有微孔結構的果膠可以通過其表面的羥基官能團形成結合水，從而促進水彼此相連，在限域的空間內形成連續(xù)的氫鍵網絡。而這里的連續(xù)氫鍵網絡，在氫氧根離子傳輸上，起了關鍵的作用?！斑@背后的機制有著如‘穿墻術’一般的魔力?！眻F隊成員表示。

通過進一步模擬計算，研究團隊發(fā)現，果膠中富含的帶有負電荷的羧酸根（- COO-）與帶負電荷的甲酸根離子，“同性相斥”，阻礙了甲酸根的遷移。一方面，氫氧根離子通過連續(xù)的氫鍵網絡和微孔通道加速，如同上了高速公路；另一方面，酸根離子被果膠中的羧酸根排斥，并與果膠和纖維素里的羥基形成氫鍵，它們被拖住了。

如今，西瓜皮膜展現出來的精妙機理，正在指導實驗室進行全新的離子傳輸膜設計，制備了分別用于電解水以及電化學二氧化碳還原反應的陰離子交換膜，并展現出超高性能。目前這些后續(xù)研發(fā)正在推進階段。