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新一代高性能非氟多孔離子傳導膜研發成功

文章來源：中化新網更新時間：2025-07-24 15:06:22

眾所周知，在新能源儲能的關鍵領域——液流電池中，一種核心膜材料長期被國外高價含氟膜壟斷，不僅成本高昂，其生產和使用過程中產生的“永久性”含氟污染物（PFAS）更對環境和健康構成嚴重威脅。

如今，這一困局被來自華東理工大學化工學院的師生團隊打破。這支“膜法師”團隊成功研發出新一代高性能非氟多孔離子傳導膜，不僅性能優于國際主流產品，且成本低至進口膜售價的1/16，更從源頭上杜絕了氟污染。更令人振奮的是，在學校的大力支持下，膜材料已實現規?；a（年產5萬平方米），成功應用于全釩、全鐵等多種液流電池體系。

“種子”萌芽：一部電影點燃綠色初心

2019年上映的電影《黑水》中，全氟辛酸（PFOA）污染致癌的真實事件讓許多人開始關注氟污染問題，團隊成員段瑞丹正是其中之一。要知道，液流電池中廣泛使用的全氟磺酸膜（如Nafion膜）正是“永久污染物”的來源之一。選擇讀研方向時，段瑞丹了解到徐至教授課題組長期從事非氟分子篩膜的研究，并已有多項階段性成果。“這也許能減少氟污染？”好奇的種子在那一刻悄然生根。

我國離子膜行業長期面臨“卡脖子”問題——不僅材料依賴進口，成本高昂，技術也存在高傳導性與高選擇性難以兼得的瓶頸。帶著環保信念與技術追求，許多像段瑞丹一樣的青年加入徐至教授團隊，與志同道合的伙伴們集結成“膜法師”戰隊，致力于開發國產高性能非氟膜。

課題組成員做實驗

“痛點”攻克：千次測試探索性能最優解

傳統含氟膜依靠化學基團進行離子交換，而團隊的技術路徑是利用分子篩規整的孔道結構進行“物理篩分”，以求解決離子膜高傳導性與高選擇性難以兼得的固有矛盾。然而，這項技術要實現真正應用，還面臨一系列挑戰：分子篩孔徑是否適配、傳導性能能否保障、膜的機械強度如何維持等，都是未知數。

在徐至教授與莊林洲副教授的指導下，學生團隊進行了實驗設計、材料制備和性能測試等大量工作。為了尋找材料性能的最優解，團隊成員不斷查閱文獻、設計實驗，僅配方調整就進行了500余次，性能測試超過2000次。

在反復的實驗中，團隊發現成膜過程中溶劑揮發產生的微小剪切力會“拉扯”膜內的分子篩納米片。之后，團隊通過對溫度、風速等參數進行調控，巧妙地利用這種剪切力使分子篩有序排列，如同為質子修建了一條暢通無阻的“高速公路”，極大地縮短了傳導路徑。

第一片直徑40毫米的非氟分子篩膜樣品成功制備，測試結果顯示，這種新型非氟多孔膜的導電性能是商業Nafion膜的2.7倍，而對活性物質的滲透率降低近一半，并具備出色的穩定性與機械強度，實現了“低成本、高性能、無氟環保”的突破。

“膜”力放大：600次調試實現關鍵跨越

將實驗室中的樣品放大到工業化生產，是團隊面臨的又一重大挑戰。

“我們預想過困難，但實際遇到的挑戰還是超出了想象。”段瑞丹坦言。

徐至教授指出了問題的關鍵：“在實驗室的小規模制備中，很多影響因素可以被忽略。但在工業化的連續生產中，納米材料在重力作用下容易發生沉降和團聚，導致膜的厚度、孔結構和填料分布不均勻，會嚴重影響產品性能。”

團隊沒有氣餒，針對這一關鍵問題，深入研究了分子篩納米片在聚合物基膜中的受力情況，開發了“恒風速變溫”連續化生產新工藝。

小尺寸到大尺寸非氟多孔膜圖片

為了找到最合適的溫度分布方式，團隊堅守在生產車間，利用紅外熱成像儀捕捉到毫米級溫差帶，并據此優化溫度控制方案。經過5個多月，600余次參數調試，3000余次性能測試，他們終于成功制備出工業規格（650 mm寬幅）的非氟多孔膜，實現了從實驗室到生產線的關鍵跨越。

目前，非氟多孔膜已在上海電氣儲能、武漢巨安儲能、江蘇誠翔新能源等多家企業開展應用測試，在全釩、全鐵等液流電池中表現優異，展現出廣闊的市場應用前景。

“育人”在路上：在挑戰中成長，在實踐中蛻變

從實驗室的理論研究，到“挑戰杯”等大賽的舞臺，再到產業一線的工程調試，團隊成員們在一次次挑戰中實現了全方位的成長。

“以前只是完成老師布置的任務，但現在能主動和老師交流、提出自己的想法。”團隊成員丁健航表示，科研訓練和比賽磨礪讓他學會更加主動地思考問題。

同樣的蛻變也發生在段瑞丹身上。起初，她在答辯時會“緊張地手心出汗”，但經過多次實戰演練，如今已能從容自信地站在答辯臺上，清晰地闡述團隊的技術成果與創新價值。這不僅是表達能力的提升，更是科研自信和綜合素養不斷提升的體現。

回望這段經歷，學生們感慨良多。范家偉說：“我們做的事情也許很小，但這是解決現實問題的一個角度，也是我們理解專業、服務社會的起點。”

“挑戰杯”指導教師莊林洲副教授談道：“希望通過實際問題引導學生投身科研，既培養解決問題的能力，也加強對國家需求的理解。”目前，團隊成員已在Angewandte Chemie International Edition、AIChE Journal和Journal of Membrane Science等頂尖期刊發表一作SCI論文13篇，參與發表高質量論文32篇，手握8項發明專利，在第十九屆“挑戰杯”上海市大學生課外學術科技作品競賽中斬獲佳績。

談及未來，段瑞丹選擇繼續攻讀博士學位，深耕膜科學領域。團隊中即將畢業的成員，也已簽約中石化大連石油化工研究院、華誼中央研究院等企業，準備將所學知識投身實際產業中。

如今，非氟多孔膜的研發仍在繼續推進中，團隊也在探索更多性能優化與適配應用。從課題到生活，從實驗室到產業一線，這支學生“膜法師”團隊用智慧與汗水施展著破解“永久污染”的綠色魔法，為祖國“雙碳”目標的實現，注入澎湃的青春動能。

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