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发布日期：2024-09-08 作者：开博
彭湃新闻（www.thepaper.开博体育cn）9月4日从西湖年夜学得悉，该校将来财产研究中间、理学院孙立成团队近日在Nature Communications上颁发一项冲破性研究功效。他们在西瓜皮膜的开导下，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映（CO2RR）中揭示出出色的机能。
孙立成团队正在剥离解冻后的西瓜皮膜。本文图均由西湖年夜学供给
离子传输膜是电化学二氧化碳还原反映、电解水和燃料电池等可再生能源转换与存储系统的要害部件，其机能直接影响到能源转换效力和产品搜集本钱。今朝普遍利用的离子传输膜分为四类，但都存在诸多局限：多孔隔阂的能量效力低和隔气性差；质子互换膜依靠昂贵的铂族电催化剂；阴离子互换膜产品搜集本钱高；离子溶剂化膜则依靠在高浓度的氢氧化钾电解液。
西瓜皮膜，是西瓜皮最外侧那层绿色的膜，在冷冻剥离后只有大要75微米，差不多一根头发丝的直径，但却揭示出奇奥的“设计思惟”。
团队的研究灵感来自一个不测被冷冻的西瓜。
2021年端五节，西湖年夜学刘清路和唐堂两位博士加班做尝试，在校门口摊贩那买了西瓜后想冷得快一点，就放到了速冻层。再想起来已几天后了。解冻后，西瓜皮膜一碰就失落。但这却让唐堂刹时有了一个奇异的设法。唐堂和刘清路会商说，这瓜皮不就是自然的膜吗？这是孙立成院士团队致力的研究标的目的之一——离子传输膜。
孙立成一向鼓动勉励团队成员“师法天然”。团队中一个主要的研究标的目的就是进修天然界的光合感化来指点人工催化剂的设计与开辟。操纵光能，可以把二氧化碳转化为生命所需的能量物资。那是不是可以把空气中的二氧化碳，在特定溶液和通电的前提下，转化成人类需要的有机化合物?好比甲酸、乙酸、乙烯、乙醇等。这就是电化学二氧化碳还原反映，这此中，离子传输膜的感化相当主要。
想入非非的唐堂和刘清路，把西瓜皮膜剥离下来，放入电化学二氧化碳还原反映测试装配。
奇异的是，西瓜皮膜竟然真的能工作！并且揭示出不亚在贸易化离子互换膜的机能！
这引发了团队的爱好，并在第一时候向孙立成报告请示交换。孙立成很果断地鼓动勉励他们虚心向西瓜皮“进修”，为将来仿生离子传输膜的制备供给指点。他亲身将该项目定名为“西瓜皮打算”。
抱负的碱性电化学二氧化碳还原反映系统中的离子传输膜要具有选择透过性，就像一个“拦网”——让电解液中的氢氧根离子（OH-）自由通行，却拦住阴极电解液中的二氧化碳液体产品——例如甲酸根、乙酸根、乙醇等，从而下降分手本钱。
“经由过程初试”的西瓜皮似乎具有这类奇异的能力。
西瓜皮膜示意图，首要由三层构成。Cuticle是最外侧的角质层，Epidermis是上皮层，Hypodermis是皮下组织层。
为何西瓜皮会呈现这类离子选择性？
在孙立成的引荐下，刘清路和唐堂请教该校生命科学学院特聘研究员吴建和蔼李小波。会商中，教员们思疑或许不是细胞膜通道的感化，由于西瓜皮膜在碱性溶液下，细胞自己已被粉碎。公然，经由过程荧光辨认剂发现西瓜皮膜的细胞已灭亡，搜刮规模进一步缩小到细胞壁。
在西湖年夜学张鑫传授的引荐下，团队成员又与在美国宾夕法尼亚州立年夜学的顾颖博士进行了交换，领会到细胞壁的布局和成份的复杂性。经由过程多种表征手艺手段，研究团队锁定了细胞壁的首要成份——包罗纤维素、半纤维素和果胶。
此中纤维素有纪律地摆列，构成直径为2到5纳米的三维通道，而果胶平均填充了这个有纪律摆列的三维纤维状通道。
今朝，即使人类最顶尖的芯片制造手艺，也方才可以或许在5纳米以下的空间里，制造出逻辑电路。这倒是对西瓜皮的“根基操作”，“出产图纸”就贮存在DNA里。
研究团队进一步细分西瓜皮膜，发现皮基层表示最好。优异到甚么水平？在1mol/L的氢氧化钾（KOH）中浸泡后的西瓜皮皮基层膜的室温下的氢氧根离子的电导率要优在1mol/L氢氧化钾水溶液自己的离子电导率，也就是说，西瓜皮膜加快了氢氧根离子的传输，让氢氧根离子跑得更快。
若何进修并复制“榜样生”的能力？
唐堂博士，现为西湖年夜学副研究员。
为了获得“贵重”的尝试耗材，全部尝试室西瓜吃到都快吐了。履历复杂而漫长研究发现，在氢氧根离子传输上，填充在西瓜皮细胞壁纳米通道里的具有微孔布局的果胶经由过程限域感化构成的持续氢键收集，起了要害的感化，而背后的机制有着如“穿墙术”一般的魔力。
水份子（H?0）由氢氧两种元素构成，一个氧原子和两个氢原子构成V字形布局。固然水份子在整体上是电中性的，但氧原子的电负性较年夜，带有部门正电荷的氢原子能与另外一个水份子中氧原子的孤对电子彼此感化“毗连”在一路，这类感化力被称为氢键。
而细胞壁中的果胶可以经由过程其概况的羟基官能团构成连系水，从而增进水彼此相连，在限域的空间内构成持续的氢键收集。
在这个有序的氢键收集里，氢质子在里面传递，成果造成了氢氧根离子“穿过”了这个收集。
固然，新发生的氢氧根离子，其实底子不是刚进入氢键收集时阿谁。但从成果上看，氢氧根离子就如许高效地传递着。
西瓜皮膜内的“离子选择性传输机制”示意图
但对酸根离子，氢键收集就没那末“客套”了，由于酸根离子没法经由过程氢键收集传递。
研究团队进一步经由过程摹拟计较发现，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”，阻碍了甲酸根的迁徙，尝试成果也证实了这一点。
谜底逐步显现：一方面，氢氧根离子经由过程持续的氢键收集和微孔通道加快，犹如上了高速公路；另外一方面，酸根离子被果胶中的羧酸根排挤，并与果胶和纤维素里的羟基构成氢键，它们被拖住了。
至此，西瓜皮膜的机理终究根基探明。它揭示出来的精巧机理，正在指点尝试室进行全新的离子传输膜设计，制备了别离用在电解水和电化学二氧化碳还原反映的阴离子互换膜，并揭示出超高机能。今朝这些后续研发正在推动阶段。
但面临西瓜皮膜内扑朔迷离的纳米级通道，和细胞壁中生物资的复杂布局和构成，研究团队仍然不敢说已全然领会西瓜皮膜的机制。
（原题目：西湖年夜学团队提出构建新型离子传输膜策略，灵感来自冰冻西瓜）
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