徐铜文院士：“碳中和”里的“膜”法

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INTERVIEW

想要实现碳达峰、碳中和，分离科学是不可或缺的关键支撑。简单来说，分离科学就是研究物质浓缩、分离和纯化的一门学科。以大家比较熟悉的新能源标志性技术——电池为例：电池内部阴极、阳极物质的分隔，正是分离科学要解决的核心问题。

中国科学院院士、中国科学技术大学化学与材料科学学院教授徐铜文是一位资深的“膜”法师，同时也是中国科学技术大学碳中和研究院的骨干，他研究的离子膜最重要的应用场景就是碳中和。围绕“双碳”目标开展离子膜的应用，重点是研发碱性膜、实现电解水制氢产业化，以及研发适配高酸、高碱环境的专用膜材料，以助力污染物治理与节能减排。

从储能到制氢，再到过程工业的低碳改造，他都做出了许多贡献。

研究聚焦：离子膜及其应用

Q：徐老师，作为中国科学技术大学碳中和研究院的一员，您研究的膜和分离科学，与碳中和有何关联？

A：

我的研究主要围绕离子膜及其应用展开，大概包含四个方面。

第一个是针对传统工业流程的废物资源化，特别是酸碱盐的资源化；第二个是针对一些工业流程的改造，即开发所谓变革性技术；第三个是围绕碱性膜电解水制氢展开的；第四个就是储能方面的应用，尤其是有机液流电池储能。

关于前两项工作，我们已经有了一些非常成熟的技术，跟碳中和也有关系。比如，我们对传统化工体系内的酸碱盐废液进行资源化回收，不仅减少了污染物排放，也降低了其对环境的影响；我们还依托双极膜技术实现工业流程再造，包括重水解离制备氘代酸碱，此举不仅精简了工业生产中的工序，也降低了能耗。

Q：您提到的双极膜是什么？

A：

双极膜是一种特种离子交换膜。带有磺酸基团的阳离子交换膜和带有季铵基团的阴离子交换膜的复合是形成双极膜的关键。我们发现，给双极膜外加电场作用，它就会具备把盐水解离变成酸和碱的功能。实际上，双极膜的发现意义非常大。它可以作为酸碱的发生源，改变很多生产过程。

比如食品工业中的电酸化、电碱化：过去，如果你需要加碱，就必须加氢氧化钠，但这样会引入钠离子，如果你需要加酸，比如加盐酸，就会把氯离子也加进去（原本要的是氢），这些离子最后还会形成灰分，影响产品质量。使用双极膜技术就能解决这个问题，我们可以通过水解离直接提供氢离子和氢氧根离子。

此外，很多化工过程依赖离子交换。离子交换有个缺点，就是基本上都要用酸或碱再生。然而，大量运输这些物质并不方便，一旦发生交通事故导致泄漏，后果更是不堪设想。我们提供的一种解决方案就是：运输盐类，加水溶解后用双极膜装置把它变成酸和碱，实际上就是“在线”进行再生。这种方案具有显著优势。

Q：2025年7月，您和我的师弟李震宇等人在《自然》（Nature）上发表了一项研究——《双极膜重水解离制备氘代酸碱》，文中提到氘代水解离的速度快于常规水，这似乎是一种违反直觉的现象。利用双极膜制备氘代酸碱是怎么实现的呢？该技术有哪些应用价值？

A：

双极膜可以解离水，生成酸和碱。我们做的这项研究首次利用双极膜解离重水（氘代水）以制备氘代酸和氘代碱。我们说的重水解离速度快，实际上指的是它的酸碱生成速率快，该现象主要由三个方面的机制共同主导。

第一，重水和常规水都有Zundel构型，但我们通过模拟计算发现，相较于常规水的Zundel构型（质子团簇），重水的Zundel构型（氘离子团簇）脱水能垒更低，更容易在膜相内迁移。所谓Zundel构型，是指一类特殊的水合阳离子结构，质子型团簇的化学式为H5O2+，其核心特征是一个氢离子（质子）被两个水分子共享，形成对称氢键；重水对应的氘代团簇的化学式为D5O2+。

第二，重水中的氘比氢多一个中子，氘离子在阴离子交换膜中的共离子泄漏比氢离子少，这有利于减少损耗，提高产物生成速率。

第三，制备过程中引入的硫酸钾会产生显著的阳离子效应，而阳离子（如钾离子）对重水和常规水解离过程的影响是不一样的：重水更高的黏度和更强的氢键网络增加了阳离子迁移的阻力，使其溶剂化壳层更稳定有序，较少挤占解离位点，进而确保酸碱生成速率。

同等操作条件下，这三重因素共同作用，使得重水的酸碱生成速率快于常规水。

就应用层面而言，现在生产氘代制品的工艺很复杂，导致氘代制品的成本很高，目前1克大概是1500元到3000元。如果按照我们的技术生产，制备500克的氘代酸大概需要500毫升的氘代重水——成本约为4000元，工艺上主要用的就是电，再加上酸的无机盐、双级膜等成本很低的原料就能直接制成，流程上也大幅简化了。这样一来，不仅能节省能量，还减少了碳排放。

注：氘代酸、氘代碱是合成氘代药物、OLED等发光材料以及氢同位素交换反应的关键原料，全球年市场规模超百亿元。然而，传统制备方法存在工艺复杂、反应条件苛刻、成本高昂三大瓶颈。徐铜文院士团队的研究旨在开发低成本、绿色化的氘代化学品制造平台，满足抗癌药物和高端材料对廉价氘代原料的迫切需求。团队创新性地运用双极膜技术实现重水高效解离，首次揭示了核量子效应导致膜层内氘离子迁移速率反超氢离子的现象，颠覆了“重水解离速率慢”的传统认知。该成果不仅解决了氘代化学品“卡脖子”问题，更展示了膜技术在驱动高端化工绿色转型方面的巨大潜力。

有机液流电池技术突破带动行业发展

Q：据我所知，以前的液流电池主要是用钒离子的不同价态来储存电荷的，需要硫酸作为介质。您现在开发的液流电池不需要用到这些金属离子了，是吗？

A：

液流电池就是利用一些物质的不同价态，通过其在膜两侧的扩散而产生电流。自然扩散状态下，离子从高浓度向低浓度迁移，电池会放电，放电完成后，我们再插上电源，驱动离子反向扩散——这就是液流电池能做到的，它可以充电。

我们研发的液流电池是有机的，不需要金属离子，也不需要依赖矿物资源，其活性物质由碳、氢、氧、氮等元素构成。我来研究院做的一项重要工作就是基于限域传质概念，提出超微孔离子膜的新结构，并将其应用于有机液流电池储能。这项工作现在也取得了重大进展：我们和江苏的一家储能公司进行合作，已经形成了两吉瓦的生产规模。

Q：2023年您在《自然》上发表了《三嗪框架聚合物膜内近乎无摩擦的离子传导》，也就是刚刚说的关于有机液流电池的研究工作。这项研究是如何发挥作用的？

A：

离子交换膜领域的核心矛盾是高离子选择性与低传导阻力无法兼得。传统的离子膜是致密膜，链段柔性导致离子通道不规则，离子传导能垒高，阻力大，严重限制电化学器件的充放电速率。要想改善其离子传导性能，就要增加它的交换容量和功能基团密度。

但是，所有功能基团都是亲水的，增加了功能基团密度后，膜的溶胀程度会变大，机械性能会变差，进而造成膜的选择性变差。

为了解决这个矛盾，我们做了一个刚性的三嗪框架，它的孔道结构是限域状态，能够实现限域传递。我们利用一些微观手段观察到，离子在膜内的自扩散系数非常接近在水里的数值，所以我们才说它是近乎无摩擦的一种传递。

从另一方面来看，有机液流电池与无机液流电池相比，起步晚一点。它的概念是2014年由美国哈佛大学迈克尔·阿齐兹（Michael J.Aziz）教授提出的。当时大家做实验用的是现有的膜，制成的有机液流电池的电流密度大概在100毫安每平方厘米，而无机液流电池的电流密度当时已经达到250～350毫安每平方厘米。从电流密度来看，相较于无机液流电池，当时业界普遍认为有机液流电池没有产业化的可能。

但是，我们后来研究的膜能实现500毫安每平方厘米的电流密度，使有机液流电池具备了产业化的可能性，因此大家对这个行业又有了信心。我们把两项核心专利授权给现在合作的企业——目前应该是世界上规模最大的有机液流电池公司。可以说，这项技术突破带动了这个行业的发展。

氢能领域持续揭榜攻关

Q：我了解到您是国家重点研发计划氢能专项的首席科学家，还是安徽省氢能产业创新计划揭榜攻关负责人。您在氢能领域揭榜攻关的核心任务是什么？

A：

要推进碳中和，就需要大力利用风能、太阳能、水能等可再生能源。从真正能用得起来的角度看，氢能是一个主要方向，就是把水电解变成氢气，相关技术主要有碱水电解技术和质子交换膜水电解技术。其中，碱水电解技术已经非常成熟了，但是动态响应较慢，难以快速跟踪风、光等波动性电源的频繁变化，而且它产生的氢气纯度也不高。质子交换膜水电解技术的问题在于，其电极要使用铂、铱等高度依赖进口的贵金属。

2022年中国科学技术大学碳中和研究院揭牌后，我们团队成为首批获得研究院“揭榜挂帅”项目的团队之一，研究的就是碱性膜电解水制氢技术。作为第三代电解水技术，它基本能规避上述两种技术的缺点。这也是我来到研究院做的第一项工作。我目前在研究院负责一个氢能平台，该平台主要以发展电解水制氢技术为目标。我们希望能利用可再生能源创造新物质，进而减少对电力和煤炭的依赖。

Q：这方面的研究目前进展如何？

A：

在电解水制氢技术方面，我们的碱性膜已经达到年产10万平方米的规模。但是，电堆现在还处于研究阶段，氢能方面还需要进一步研究膜电极和催化剂。我们希望能在2027年研发出兆瓦级的电解水制氢设备。除此之外，我们有个实验室在做二氧化碳的转化与电化学合成氨的相关研究，这些都离不开膜技术。

膜技术和分离科学的未来

Q：您觉得膜技术和分离科学对于碳中和战略能够发挥什么样的作用？

A：

膜技术是一种在多数情况下没有相变、工艺灵活、对环境友好的技术，它还可以优化生产流程。我举一个例子——有机酸的清洁转化，这也是我从2008年就开始研究的方向。

传统的有机酸有两种生产方式，一个是催化氧化，另一个是发酵。发酵需要菌种在一定的pH值下进行。但是随着发酵的不断进行，有机酸不断生产，酸性增加了，pH值下降，为了保持发酵环境，就要不停地加碱，如氨水、氢氧化钠等物质。发酵的产物包含有机酸钠、发酵的噬菌体以及其他无法分离的物质，所以需要给产物加石灰，使有机酸钙沉淀下来，再加入硫酸将其酸化，这样便能获得有机酸。

生产1吨有机酸要产生好几吨固体废渣和大量高化学需氧量（COD）有机废水，产出的结晶因为颜色和杂质的问题还需要重新溶解、再次结晶，所以整个过程非常长。

有了双极膜技术后，我们利用膜界面层将水解离进而获取氢离子和氢氧根离子，如此一来，有机酸钠盐进入酸室后，氢离子就和有机酸根离子结合变成有机酸；氢氧根离子和钠离子结合变成氢氧化钠。氢氧化钠形成后，可以回用至初始的发酵罐维持pH，这样就可以形成碱的自馈式闭环系统。

我们跟食品添加剂公司开展了合作，他们采取这个工艺后，相比传统的工艺减少了5个工段，节省了不少人力和设备成本，关键是，产品质量也有提高。这就是膜技术带来的一个深刻变革。这样的例子其实不胜枚举。

Q：这让我想起您的课件上那句富有哲学意味的话：最好的分离技术就是不需要分离。

A：

分离为什么重要？因为它贯穿于物质生产的全过程：比如初始反应，为了得到纯化的产物，我们需要做分离；为了避免具有热敏性的中间产物分解、避免催化剂中毒，我们需要及时提取中间产物，这时候也要做分离。所以说，最好的分离技术就是不需要分离，这才是最完整、最节能、最好的分离方法。

Q：您如何看分离科学的发展趋势？

A：

首先，应该借助人工智能来进行分离科学研究。例如，我们原来很难确定膜固化的时间，只能估算，现在有高速摄像机了，可以实时记录成膜全过程，这样我们就可以通过图像精准测量膜层固化的厚度变化，再结合人工智能建模分析。

其次，应用场景在不断变化。原来针对的是日常工业环境，后面可能要面向大气、深空、深海。

以盐为例，地下卤水是盐的一个重要来源。海水的盐浓度大概是3.5%，地下卤水的浓度大概是6%。地下卤水因为被海水入侵，加上人类长期开采的影响，浓度已经比原来低了；此外，沿海工业区开发的盐场面积在减少……

所以，之前山东省几个盐场的负责人找到我，希望能够利用我们的离子膜技术净化、浓缩海水——浓缩以后就可以变成卤水来制盐，这也是我们今后要突破的一个方向。这种技术需要的是一/二价离子选择性分离膜，这个膜要能去除海水中的二价离子，如钙、镁离子，仅保留钠离子（一价离子），这样才能制盐。

再次，稀土分离是一个重要应用方向。稀土是我国重要的战略资源，开发稀土资源的主要卡点在于提取技术。随着材料技术的不断发展，这一方向具有广阔的应用前景，膜技术在里面大有可为。

传统的稀土分离过程是根据萃取剂跟不同稀土的亲和力来进行多级萃取，其间要使用大量的溶剂以及酸和碱，环境污染比较严重。我们目前正在研发面对不同大小的稀土离子能有针对性地进行筛选的膜。这种技术成熟以后，可以极大地缩短传统稀土分离的多级萃取工段，简化工艺流程。

最后，分离介质的发展是无止境的。从传统的异相膜，到均相离子交换膜，再到现在的离子捕获膜，材料设计理念在不断创新。未来，我们或许还能开发出不依赖传统固定带电基团的新型膜。当下在电解水制氢领域，新一代前沿研发方向就是离子溶剂化膜。

和传统离子交换膜不同，这类膜本身是化学稳定性极强的惰性膜基材，其结构中没有固定的离子基团，但它可以依托所处的酸碱电解液环境，自发吸附介质，在膜内部原位形成动态溶剂化传输层，并依托该溶剂化层实现离子传导，进而替代传统膜自带的功能基团发挥作用。

Q：就是说这个“功能基团”不是膜自带的，而是因为它吸附了这个溶剂化层。这是个非常有趣的理念，相当于就地取材，把它放在哪种环境里，它就变成哪种功能性的膜。最后想问的是，您觉得碳中和研究（膜技术应用）领域亟待攻克的核心问题，或者说下一个锚点，是什么？

A：

超微孔离子膜。如果想提高传统离子膜的分离效果，就必须增加功能基团含量，但功能基团含量增加了，膜的稳定性就下降了。我们后期主要开展两个方向的研究，一个是氢能，一个是储能。为了使膜的稳定性提高，我们要构建0.7纳米以下的孔径（超微孔）。这种孔径可降低离子传输的物理扩散阻力，理论上可以提高电导，这样的话可以牺牲膜的交换容量。我们已经提出了超微孔离子膜的概念，并将其作为新一代离子膜的发展方向。

-本文刊载于《世界科学》杂志2026年第7期“锚点”专栏；该专栏由《世界科学》编辑部和东方卫视《锚点》节目组联合开发，《锚点》节目由中国科学技术大学科技传播系副主任袁岚峰研究员主持-