受冰冻西瓜的启发，西湖大学团队提出了构建新型离子传送膜的策略。

澎湃新闻（www.thepaper.cn）九月四日从西湖大学了解到，近日Nature在Nature中，该校未来产业研究中心、理学院孙立成团队 在Communications上发表了一项突破性研究结果。在西瓜皮膜的启发下，他们提出了一种新型离子传送膜的构建（ITMs）电化学二氧化碳还原反应的策略(CO2RR）表现出卓越的性能。

孙立成团队正在剥去解冻后的西瓜皮膜。西湖大学提供了本文图片

离子膜是可再生能源转换和储存系统的关键部件，如电化学二氧化碳还原反应、电解水和燃料电池，其性能直接影响能源转换效率和产品收集成本。目前广泛使用的离子传送膜有四种，但都有很多局限性:多孔隔膜能效低，隔气性差；质子交换膜依赖昂贵的铂族电催化剂；阴离子交换膜收集成本高；离子溶剂化膜依赖于高浓度氢氧化钾电解液。

西瓜皮膜是西瓜皮最外面的绿膜，冷冻剥离后只有75层左右。μm，几乎一根头发的直径，却显示出一种奇妙的“设计创意”。

这个团队的研究灵感来源于一个意外冻结的西瓜。

2021年端午节，西湖大学的两位医生刘清路和唐堂加班进行测试。在学校门口的小贩买了西瓜后，他们想冷得更快，所以他们把它放在冷冻层里。再想起来已经好几天了。解冻后，西瓜皮膜一碰就掉了。但这让唐堂瞬间有了一个神奇的想法。唐堂和刘清路讨论说，这个瓜皮不是天然膜吗？这是孙立成院士团队致力于的研究方向之一——离子传送膜。

孙立成一直鼓励团队成员“师法自然”。研究团队中的一个重要方向是学习大自然的光合作用，以引导人工催化剂的设计和开发。利用光能，可将二氧化碳转化为生命所需的能量物质。那么，在特定的溶液和通电条件下，空气中的二氧化碳能否转化为人类所需的有机物质？比如甲酸，乙酸，乙烯，酒精等等。电化学二氧化碳还原反应就是这样，离子传送膜的作用尤为重要。

唐堂和刘清路异想天开，将西瓜皮剥下来，放入电化学二氧化碳还原反应试验装置中。

令人惊讶的是，西瓜皮膜实际上可以工作！并表现出不逊于商业化离子交换膜的性能！

这引起了团队的兴趣，并在第一时间向孙立成报告和交流。孙立成坚定地引导他们虚心向西瓜皮“学习”，为未来制备仿生离子膜提供指导。他亲自将这个项目命名为“西瓜皮计划”。

理想的偏碱电化学二氧化碳还原反应系统中的离子传送膜应具有选择性，就像一个“拦网”——让电解液中的氢氧离子（OH-）在负极电解液中自由通行，但阻止二氧化碳液体产物，如甲酸根、乙酸根、酒精等，从而降低分离成本。

西瓜皮“通过初试”似乎有这种神奇的能力。

主要由三层组成的西瓜皮膜示意图。Cuticle是一种非常外层的角质层，Epidermis是上皮层，Hypodermis是皮肤组织层。

为什么西瓜皮会有这样的离子选择？

在孙立成的推荐下，刘清路和唐堂咨询了学校生命科学学院特聘研究员吴建平和李小波。在讨论中，老师们怀疑这可能不是细胞膜通道的作用，因为西瓜皮膜已经被碱性溶液破坏了。果然，西瓜皮膜的细胞通过莹光识别剂死亡，搜索范围进一步缩小到细胞壁。

在西湖大学张鑫教授的推荐下，团队成员与在美国宾夕法尼亚州立大学的顾颖博士进行了交流，了解了细胞壁结构和成分的复杂性。研究小组通过各种表征技术锁定了细胞壁的主要原料——含有纤维素、半纤维素和果胶。

其中纤维素排列有规律，形成直径为2-5纳米的三维通道，而果胶则对称地填充了这一有规律排列的三维通道。

目前，即使是人类最顶级的芯片制造技术，逻辑电路也只能在5纳米以下的空间内制造出来。这是西瓜皮的“基本操作”，“生产图”保存在DNA。

研究小组进一步细分了西瓜皮膜，发现皮下层表现最好。有多好？氢氧化钾在1mol/L中（KOH）在常温下，浸泡过的西瓜皮下层膜的氢氧根离子电导率优于1mol/L氢氧化钾溶液本身的离子电导率。换句话说，西瓜皮膜加速了氢氧根离子的传输，使氢氧根离子跑得更快。

如何学习和复制“模范生”的能力？

现为西湖大学副研究员的唐堂博士。

为了获得“珍贵”的实验耗材，西瓜在整个实验室都快吐了。复杂而漫长的研究表明，西瓜皮细胞壁纳米通道中添加的具有微孔结构的果胶通过限域作用形成的持续氢键网络在氢氧根离子传输中起着关键作用，其背后的机制具有“穿墙”般的神奇力量。

水分（H₂0)由氢氧两种元素组成，一个氧原子和两个氢原子形成V型结构。虽然整体水分是电中性的，但氧原子的负电性更大，含有一部分正电的氢原子可以与另一个水分子中氧原子的孤立电子“连接”在一起，称为氢键。

细胞壁中的果胶可以通过其表面的甲基官能团形成结合水，从而促进水相互连接，在有限的空间内形成连续的氢键网络。

氢质子在这一有序的氢键网络中传递，结果导致氢氧根离子“穿过”网络。

虽然，新生产的氢氧根离子实际上并不是刚进入氢键网络时的那种。但是从结果来看，氢氧根离子就这样得到了有效的传递。

“离子选择性传输机制”在西瓜皮膜中的示意图

但是对酸根离子来说，氢键网络并不那么“客气”，因为酸根离子无法通过氢键网络传递。

通过数值模拟，研究小组进一步发现，果胶中含有丰富的负电羧酸根。（- COO-）与带负电的甲酸根离子，“同性相斥”，阻碍了甲酸根的转移，实验结论也证明了这一点。

答案逐渐显现:一方面，氢氧根离子通过连续的氢键网络和微孔通道加速，就像上了高速公路一样；另一方面，酸根离子被果胶中的羧酸根抵抗，与果胶和纤维素中的甲基形成氢键，被拖累。

到目前为止，西瓜皮膜的机制终于基本被发现了。它展示了一个微妙的机制，指导实验室设计全新的离子传输膜，制备了阴离子交换膜，分别用于电解水和电化学二氧化碳还原反应，表现出超高的性能。目前，这些后续研发正在推进阶段。

然而，面对西瓜皮膜中复杂的纳米通道和细胞壁中生物质的复杂结构和组成，研究团队仍然不敢说他们完全了解西瓜皮膜的机制。

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