【化工装备十年大发展】2557-2025新一代高性能非氟多孔离子传导膜研发成功

沙漠里的游鱼 · 发表于 2025-7-24 13:18:25

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新一代高性能非氟多孔离子传导膜研发成功

2025年07月24日

众所周知，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，这一困局被来自华东理工大学化工学院的师生团队打破。这支“膜法师”团队成功研发出新一代高性能非氟多孔离子传导膜，不仅性能优于国际主流产品，且成本低至进口膜售价的1/16，更从源头上杜绝了氟污染。更令人振奋的是，在学校的大力支持下，膜材料已实现规模化生产（年产5万平方米），成功应用于全钒、全铁等多种液流电池体系。

“种子”萌芽：一部电影点燃绿色初心

2019年上映的电影《黑水》中，全氟辛酸（PFOA）污染致癌的真实事件让许多人开始关注氟污染问题，团队成员段瑞丹正是其中之一。要知道，液流电池中广泛使用的全氟磺酸膜（如Nafion膜）正是“永久污染物”的来源之一。选择读研方向时，段瑞丹了解到徐至教授课题组长期从事非氟分子筛膜的研究，并已有多项阶段性成果。“这也许能减少氟污染？”好奇的种子在那一刻悄然生根。

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。带着环保信念与技术追求，许多像段瑞丹一样的青年加入徐至教授团队，与志同道合的伙伴们集结成“膜法师”战队，致力于开发国产高性能非氟膜。

沙漠里的游鱼 · 发表于 2025-7-24 13:18:44

沙漠里的游鱼 · 发表于 2025-7-24 13:19:29

“痛点”攻克：千次测试探索性能最优解

传统含氟膜依靠化学基团进行离子交换，而团队的技术路径是利用分子筛规整的孔道结构进行“物理筛分”，以求解决离子膜高传导性与高选择性难以兼得的固有矛盾。然而，这项技术要实现真正应用，还面临一系列挑战：分子筛孔径是否适配、传导性能能否保障、膜的机械强度如何维持等，都是未知数。

在徐至教授与庄林洲副教授的指导下，学生团队进行了实验设计、材料制备和性能测试等大量工作。为了寻找材料性能的最优解，团队成员不断查阅文献、设计实验，仅配方调整就进行了500余次，性能测试超过2000次。

在反复的实验中，团队发现成膜过程中溶剂挥发产生的微小剪切力会“拉扯”膜内的分子筛纳米片。之后，团队通过对温度、风速等参数进行调控，巧妙地利用这种剪切力使分子筛有序排列，如同为质子修建了一条畅通无阻的“高速公路”，极大地缩短了传导路径。

第一片直径40毫米的非氟分子筛膜样品成功制备，测试结果显示，这种新型非氟多孔膜的导电性能是商业Nafion膜的2.7倍，而对活性物质的渗透率降低近一半，并具备出色的稳定性与机械强度，实现了“低成本、高性能、无氟环保”的突破。

沙漠里的游鱼 · 发表于 2025-7-24 13:19:48

“膜”力放大：600次调试实现关键跨越

将实验室中的样品放大到工业化生产，是团队面临的又一重大挑战。

“我们预想过困难，但实际遇到的挑战还是超出了想象。”段瑞丹坦言。

徐至教授指出了问题的关键：“在实验室的小规模制备中，很多影响因素可以被忽略。但在工业化的连续生产中，纳米材料在重力作用下容易发生沉降和团聚，导致膜的厚度、孔结构和填料分布不均匀，会严重影响产品性能。”

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。

沙漠里的游鱼 · 发表于 2025-7-24 13:20:04

沙漠里的游鱼 · 发表于 2025-7-24 13:20:34

为了找到最合适的温度分布方式，团队坚守在生产车间，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。经过5个多月，600余次参数调试，3000余次性能测试，他们终于成功制备出工业规格（650 mm宽幅）的非氟多孔膜，实现了从实验室到生产线的关键跨越。

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。

“育人”在路上：在挑战中成长，在实践中蜕变

从实验室的理论研究，到“挑战杯”等大赛的舞台，再到产业一线的工程调试，团队成员们在一次次挑战中实现了全方位的成长。

“以前只是完成老师布置的任务，但现在能主动和老师交流、提出自己的想法。”团队成员丁健航表示，科研训练和比赛磨砺让他学会更加主动地思考问题。

同样的蜕变也发生在段瑞丹身上。起初，她在答辩时会“紧张地手心出汗”，但经过多次实战演练，如今已能从容自信地站在答辩台上，清晰地阐述团队的技术成果与创新价值。这不仅是表达能力的提升，更是科研自信和综合素养不断提升的体现。

沙漠里的游鱼 · 发表于 2025-7-24 13:20:52

回望这段经历，学生们感慨良多。范家伟说：“我们做的事情也许很小，但这是解决现实问题的一个角度，也是我们理解专业、服务社会的起点。”

“挑战杯”指导教师庄林洲副教授谈道：“希望通过实际问题引导学生投身科研，既培养解决问题的能力，也加强对国家需求的理解。”目前，团队成员已在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8项发明专利，在第十九届“挑战杯”上海市大学生课外学术科技作品竞赛中斩获佳绩。

谈及未来，段瑞丹选择继续攻读博士学位，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，准备将所学知识投身实际产业中。

如今，非氟多孔膜的研发仍在继续推进中，团队也在探索更多性能优化与适配应用。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。