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华理“膜法师”:以“无氟魔法”破解“永久污染”,引领绿色储能新未来
发布时间:2025-06-20   访问次数:10   作者:段瑞丹、田梦、庄林洲

习近平总书记指出,要夯实科技自立自强根基,培育壮大新动能。在新能源储能的关键领域——液流电池中,一种核心膜材料长期被国外高价含氟膜垄断,不仅成本高昂,其生产和使用过程中产生的“永久性”含氟污染物(PFAS)更对环境和健康构成严重威胁。

如今,这一困局被一支来自颜射合集 的学生团队打破!该团队由10名研究生组成,成功研发出新一代高性能非氟多孔离子传导膜,不仅性能全面超越国际主流产品,且成本低至进口膜的1/16,更从源头上杜绝了氟污染。更令人振奋的是,在学校和苏州实验室的大力支持下,成功实现膜材料的规模化生产(年产5万平方米)。膜产品成功应用于全钒、全铁等多种液流电池体系,为国家能源绿色转型提供了坚实的技术保障。

“种子”萌芽:一部电影点燃绿色初心

团队的初心,源于2019年上映的电影《黑水》,片中关于全氟辛酸(PFOA)污染致癌的真实事件,引发广泛关注。当时仍在读大学的段瑞丹同学深受震撼,“科技的发展绝不能以牺牲环境和生命健康为代价!”她调研后发现,液流电池中广泛使用的全氟磺酸膜(如Nafion膜)正是主要污染源之一,中国、美国及欧盟相继发布了《禁氟令》以限制此类物质的使用。更令她关注的是,我国离子膜行业长期面临“卡脖子”问题——不仅材料依赖进口,成本高昂,技术也存在高传导性与高选择性难以兼得的瓶颈。

在选择读研导师和方向时,段瑞丹了解到颜射合集 徐至教授课题组在非氟分子筛膜领域深耕多年并有多项突破性成果。“这不正是从根源上解决了氟污染问题吗?”希望的种子在那一刻悄然生根。带着环保信念与技术追求,2023年,段瑞丹顺利加入徐至教授团队,与志同道合的伙伴们集结成“膜法师”战队,决心向传统含氟膜材料发起挑战。

图片说明:徐至教授课题组合照

“痛点”亮剑:瞄准卡脖子,硬核破垄断

为突破困局,团队从最基础的材料科学原理中寻找答案,利用分子筛的规整孔道“物理筛分”替代传统的“化学交换”。这听起来简单,实现却异常艰难:“孔径控制精度够吗?”“离子传输速率怎么保障?”为此,团队展开了大量的调研和文献研究,投入实验,昼夜不歇,历经500余次的配方调整和2000余次的性能测试。终于,第一片直径40mm的非氟分子筛膜“完美小样”诞生。

他们合成的新型非氟多孔膜性能优异,相较于商业Nafion膜,导电性能提升2.7倍,活性物质渗透率降至一半,制造成本不到Nafion膜售价的1/16,同时具备优异的稳定性和机械强度,真正实现了“低成本、高性能、无氟环保”的突破。“科技的发展要始终立足于国家战略需求,我们就是要坚定发展国产非氟膜,打破垄断!”徐至教授坚定地说。

图片说明:团队成员讨论及徐至教授、庄林洲副教授指导照片

图片说明:团队成员实验照片

放大“膜”力:600次调试淬炼产线真金

喜悦未落,新挑战接踵而至:实验室成功的工艺,在中试放大时失效了!分子筛排布再次变得无序。“预想过困难,但结果出来还是会失落。”段瑞丹坦言。“中试放大与实验室不同,在流延成膜过程中纳米材料易受重力沉降、团聚等因素影响,导致膜的厚度、孔结构、纳米填料分布不均。”徐至教授指出问题的关键。

团队没有气馁,针对这一关键问题,深入研究了分子筛纳米片在聚合物基膜中的受力情况,开发了“恒风速变温”连续化生产新工艺。为了找到最合适的温度分布方式,团队连续72小时坚守在生产车间,利用红外热成像仪捕捉到毫米级温差带,并据此优化温度控制方案。5个多月,600余次参数调试,3000余次性能测试,汗水浇灌出硕果——他们成功制备出工业规格(650mm宽幅)的非氟多孔膜!当首卷金黄色薄膜滚落产线时,团队指导教师庄林洲副教授感慨:“这卷膜上,刻着中国青年的志气。”目前,非氟多孔膜已在上海电气储能、武汉巨安储能、江苏诚翔新能源等多家企业开展应用测试,在全钒、全铁等液流电池中表现优异,展现出广阔的市场应用前景,有望实现膜材料领域的国产替代和绿色升级。

图片说明:小尺寸到大尺寸非氟多孔膜图片

图片说明:团队成员中试实验照片

“膜”力全开:绿色梦想照进产业未来

回顾整个研发历程,团队成员丁健航感慨道:“工作量大、困难多,但能有这样一次团结拼搏、共同成长的经历,非常难得。”目前,团队成员在Angewandte Chemie International Edition、AIChE Journal和Journal of Membrane Science等顶尖期刊发表一作SCI论文13篇,参与发表高质量论文32篇,手握6项发明专利,并获第十九届“挑战杯”上海市大学生课外学术科技作品竞赛一等奖,向国赛全力冲刺!同时,团队也已直通中国国际大学生创新大赛校决赛。

谈及未来,段瑞丹希望继续攻读博士学位,深耕膜科学领域。团队中即将毕业的成员,也已签约中石化大连石油化工研究院、华谊中央研究院等企业,决心在新能源、新材料产业一线持续贡献“膜”力。

“以创筑梦”,是这支青年团队最真实的写照。“双创”的征程不仅激发了他们对知识的渴望,也显著提升了专业素养与科研能力,更培养了敢闯敢拼的创新精神与团结协作的团队意识。从课题到生活,从实验室到产业一线,这支学生“膜法师”团队用智慧与汗水施展着破解“永久污染”的绿色魔法,为祖国“双碳”目标的实现,注入澎湃的青春动能!

图片说明:团队成员参赛照片