“师从”西瓜皮，西湖大学团队提出新型离子传输膜策略

孙立成团队正在剥离解冻后的西瓜皮膜

水果店里被丢弃的西瓜皮摇身一变成为“高大上”的实验材料，小小西瓜皮竟蕴藏着自然的大智慧。近日，西湖大学未来产业研究中心、理学院孙立成团队在国际知名期刊《自然通讯》上发表了一项突破性研究成果。他们“师从”西瓜皮膜，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中展现出卓越的性能。

离子传输膜是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。

目前广泛使用的离子传输膜分为四类，但都存在诸多局限：如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。

但西湖大学副研究员唐堂博士和西湖大学助理研究员刘清路博士在一次手误把西瓜送进冷冻层后，发现解冻后自然脱落下来的西瓜膜酷肖实验室致力研究的离子传输膜。

解冻中的西瓜皮

两位博士“玩”心大起，将西瓜皮膜放进了电化学二氧化碳还原反应测试装置。神奇的是，西瓜皮膜居然真的能工作，且展现出了不亚于商业化离子交换膜的性能。

于是，一场向西瓜皮“求学”的旅程开始了。

在孙立成院士的指导下，利用西湖大学的跨学科资源，团队成员开展了多方交流与探索，最终锁定了西瓜皮膜的细胞壁内存在纤维素、半纤维素和果胶这三种主要成分。其中纤维素有规律地排列，形成直径为2到5纳米的三维通道，而果胶均匀填充了这个有规律排列的三维纤维状通道。

层层叠叠的细胞壁在电镜下逐步放大，最终呈现出纤维状通道

经过进一步细分西瓜皮膜，研究团队还发现，西瓜皮膜的皮下层能够能够加速氢氧根离子的传输，且精准排斥酸根离子。

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

目前，即便是人类最顶尖的芯片制造技术，也刚刚能够在5纳米以下的空间里，制造出逻辑电路。但对西瓜皮来说，这是它的“基本操作”，高精尖的通道“生产图纸”就储存在DNA里。

然而，相比发现现象，机理的探索更加困难。接下来的问题是，如何破译这份“图纸”，并将其运用到离子传输膜的研发中？

经过大量复杂的实验，研究团队发现，填充在西瓜皮细胞壁纳米通道里的、具有微孔结构的果胶，通过限域作用形成了连续氢键网络。一方面，这一网络能够高效传递氢氧根离子；另一方面，果胶中的羧酸根与甲酸根离子同带负电极，“同性相斥”，阻碍了酸根离子的进入。

西瓜皮膜内的“离子选择性传输机制”示意图

至此，研究团队基本探明了西瓜皮膜的机理。在西瓜皮的“指导下”，实验室正在进行全新的离子传输膜设计。

据孙立成院士介绍，团队目前制备了更高级的高分子合成膜，分别用于电解水以及电化学二氧化碳还原反应，并展现出超高性能。据悉，目前的后续研发正在推进阶段。

作者：刘琦

文：刘琦图：西湖大学供图编辑：刘琦责任编辑：任荃