構(gòu)建傳質(zhì)分離的“高速路”——深圳先進(jìn)院這張“膜”連獲顛覆性技術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)
一張“離子膜”,如何影響世界?近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研發(fā)的“二維垂直亞納米通道膜技術(shù)”榮獲全國(guó)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎(jiǎng)。該技術(shù)通過(guò)構(gòu)筑顛覆性的“二維垂直亞納米”通道結(jié)構(gòu),破解了膜法離子分離領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的“選擇性”與“通量”不可兼得的國(guó)際難題。
在能源、環(huán)境、水資源等領(lǐng)域,離子分離膜是決定裝備“性能上限”和“成本下限”的“芯片”。然而,傳統(tǒng)離子膜因其亞納米通道難以精準(zhǔn)構(gòu)筑,導(dǎo)致膜材料長(zhǎng)期面臨一個(gè)難以逾越的瓶頸:選擇性與通量難以兼得。膜材料要實(shí)現(xiàn)精確篩分,就得犧牲傳質(zhì)速率;想要快速傳質(zhì),就難以保證篩分精度。
從“0”到“1”的原始創(chuàng)新,是破解膜材料領(lǐng)域“高選擇性與高通量無(wú)法兼得”這一國(guó)際難題的有效路徑。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明、丁寶福、羅杰及團(tuán)隊(duì)成員聚焦“高選擇性兼高通量膜材料”這一科技制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)高地,原創(chuàng)大面積構(gòu)筑“二維垂直亞納米通道膜”的顛覆性膜結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)4年磨一劍,實(shí)現(xiàn)了“狹縫式”二維垂直亞納米通道的有序組裝和突破了相關(guān)通道構(gòu)筑的理論、技術(shù)、材料、工藝難點(diǎn),相關(guān)技術(shù)連續(xù)在2024年及2025年兩獲得京津冀國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新中心組織的顛覆性技術(shù)大賽優(yōu)勝獎(jiǎng),并聯(lián)合中煤(深圳)研究院有限公司獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-顛覆性技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)的支持,也是深圳先進(jìn)院首個(gè)獲批的顛覆性技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目。
這種基膜的突破,支撐了多種含水處理膜、儲(chǔ)能用離子膜等功能膜的性能瓶頸的突破,并在2025年度內(nèi),連續(xù)獲得了中國(guó)科學(xué)院搶占科技制高點(diǎn)攻堅(jiān)計(jì)劃子課題、深圳市科技重大專項(xiàng)等重要縱向項(xiàng)目的支持,凸顯了其巨大的創(chuàng)新潛力與產(chǎn)業(yè)價(jià)值。
“二維垂直亞納米通道膜”技術(shù)的顛覆性,始于對(duì)膜材料最根本“原理”、“結(jié)構(gòu)”、“工藝”的重構(gòu)。
結(jié)構(gòu)顛覆:從“曲折小路”到“垂直高速”
傳統(tǒng)分離膜內(nèi)的通道如同蜿蜒曲折的鄉(xiāng)間小路,路徑長(zhǎng)、寬窄不一,導(dǎo)致分子、離子通行效率低且篩分不精準(zhǔn)。
研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了大面積構(gòu)筑“二維垂直亞納米通道膜”這一顛覆傳統(tǒng)膜通道結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑策略。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的膜材料內(nèi),具備尺寸精準(zhǔn)可控、尺寸均一、筆直垂直的二維納米通道,為目標(biāo)物質(zhì)修建了足夠“寬闊”的“垂直高速公路”。
這項(xiàng)技術(shù)能夠在 0.4到1.0納米(約等于頭發(fā)絲的五萬(wàn)分之一)的范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)對(duì)通道尺寸的任意、均一且垂直取向的精準(zhǔn)調(diào)控,從而能精準(zhǔn)、快速地區(qū)分任意兩種亞納米尺寸的離子或分子。
技術(shù)顛覆:從“分子為中心”到“有序疇為中心”的范式革命
為了構(gòu)筑“二維垂直納米通道”這一全新的膜結(jié)構(gòu),團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng) “以分子為中心”的膜材料研發(fā)思路和制備工藝,發(fā)明了 “以疇基元為中心”的全新制膜技術(shù)。這如同從用“無(wú)序的砂礫”建房,升級(jí)為用“制式規(guī)則的磚塊”建房,為“跨膜取向二維通道的構(gòu)筑”奠定的結(jié)構(gòu)學(xué)和材料學(xué)基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了膜材料研制范式的革新。該技術(shù)具備極強(qiáng)的普適性,可適配不同分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)屬性的制膜原料,為針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)高性能膜材料帶來(lái)了無(wú)限可能。
性能顛覆:搶占膜材料性能、技術(shù)制高點(diǎn)
憑借革命性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備技術(shù),“二維垂直納米通道膜”在多項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了顛覆性突破,全面刷新現(xiàn)有紀(jì)錄:能源領(lǐng)域:相比進(jìn)口膜材,質(zhì)子傳導(dǎo)率提升1倍以上,陰離子傳導(dǎo)率提升4倍,提升了液流電池、電解水制氫等效率。資源提取領(lǐng)域:用于鹽湖提鋰時(shí),水通量提升5倍,為綠色、高效獲取鋰資源提供了高效方案。水處理領(lǐng)域:正滲透海水淡化水通量提升1個(gè)數(shù)量級(jí),率先實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外加壓力的家用凈水,節(jié)能潛力巨大。
產(chǎn)業(yè)顛覆:專利布局完善,宏量化路線可行
一項(xiàng)真正的顛覆性技術(shù),在于其能否形成從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的完整閉環(huán)。團(tuán)隊(duì)正在朝著這一目標(biāo)前進(jìn):
團(tuán)隊(duì)已形成完備的研發(fā)體系,建立了涵蓋“膜理論模擬、材料學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、工程放大、器件開(kāi)發(fā)、應(yīng)用示范”的完備研發(fā)體系和隊(duì)伍。專利壁壘堅(jiān)實(shí),圍繞核心技術(shù),已申請(qǐng)專利14項(xiàng),已授權(quán)5項(xiàng),PCT專利2項(xiàng),形成了堅(jiān)實(shí)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘。產(chǎn)學(xué)研高頻聯(lián)動(dòng),技術(shù)已成功研發(fā)卷對(duì)卷制備裝備,完成了米級(jí)原型膜樣品制造,并與多家行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)、研究所簽訂合作開(kāi)發(fā)與應(yīng)用示范協(xié)議,持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化步伐。
“二維垂直納米通道”顛覆性膜技術(shù),是深圳先進(jìn)院堅(jiān)持面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的生動(dòng)體現(xiàn)。這項(xiàng)從“0”到“1”的原始創(chuàng)新,不僅為基礎(chǔ)科學(xué)貢獻(xiàn)了新的方向,更以其顛覆性的技術(shù)特點(diǎn),為能源、環(huán)境、資源提取等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域帶來(lái)了變革性的解決方案。從實(shí)驗(yàn)室的原創(chuàng)概念,到大賽的脫穎而出,再到國(guó)家重大專項(xiàng)的認(rèn)可與支持,這條清晰的路徑標(biāo)志著“二維垂直納米通道膜”技術(shù)正加速?gòu)膶?shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化,有望在未來(lái)為解決國(guó)家重大需求、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)貢獻(xiàn)“先進(jìn)院力量”。

建立“二維材料液晶”新方向,原創(chuàng)“二維垂直亞納米通道膜”結(jié)構(gòu)

兩獲“全國(guó)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎(jiǎng)”及系統(tǒng)化專利布局
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