西瓜皮，建功了！我国这一科研团队再出重要效果

近来，西湖大学未来工业研讨中心、理学院孙立成团队在Nature Communications上宣布了一项突破性研讨成果。他们在西瓜皮膜的启发下，提出了一种构建新式离子传输膜（ITMs）的战略，在电化学二氧化碳复原反响（CO2RR）中展示出杰出的功能。

西瓜皮膜，是西瓜皮最外侧那层绿色的膜，在冷冻剥离后只要大约75微米，差不多一根头发丝的直径，但却展示出美妙的“规划思想”。而这项研讨，便是从那个“铁憨憨”开端的。

孙立成团队正在剥离冻结后的西瓜皮膜

2021年端午节，刘清路和唐堂加班做试验。他们在校门口的摊贩那买了西瓜，想着让西瓜冷得快一点，就放到了速冻层。成果试验一忙，想起来已是几天后了。

唐堂一边嚼着冰渣渣，一边打量着天然掉落的西瓜皮膜。常常冻生果的朋友必定知道，冻结后的果皮很简略脱落。唐堂和刘清路讨论说，这瓜皮不便是天然的膜吗？这是来自大天然的规划，也是孙立成院士团队努力的研讨方向之一—离子传输膜。

离子传输膜是电化学二氧化碳复原反响、电解水和燃料电池等可再生动力转化与存储系统的要害部件，其功能直接影响到动力转化功率和产品搜集本钱。现在广泛运用的离子传输膜分为四类，但都存在许多限制——

多孔隔阂的能量功率低和隔气性差；

质子交流膜依靠贵重的铂族电催化剂；

阴离子交流膜产品搜集本钱高；

离子溶剂化膜则依靠于高浓度的氢氧化钾电解液。

抱负的碱性电化学二氧化碳复原反响系统中的离子传输膜要具有挑选透过性，就像一个“拦网”——让电解液中的氢氧根离子（OH-）自在通行，却拦住阴极电解液中的二氧化碳液体产品——例如甲酸根、乙酸根、乙醇等，然后下降别离本钱。

这看似有点对立，但“经过初试”的西瓜皮好像具有这种奇特的才能。

西瓜皮膜示意图，主要由三层组成。Cuticle是最外侧的角质层，Epidermis是上皮层，Hypodermis是皮下组织层

为什么西瓜皮会呈现这种离子挑选性？

首要需求从生物学上对西瓜皮有满足的了解。

****经过多种表征技能手段，研讨团队确定了细胞壁的主要成分——包含纤维素、半纤维素和果胶。其间纤维素有规则地摆放，构成直径为2到5纳米的三维通道，而果胶均匀填充了这个有规则摆放的三维纤维状通道。

含果胶的纤维素纤维束的分子动力学模仿模型图

现在，即使人类最顶尖的芯片制作技能，也刚刚能够在5纳米以下的空间里，制作出逻辑电路。但，对西瓜皮来说，这是它的“根本操作”，“出产图纸”就储存在DNA里。

研讨团队进一步细分西瓜皮膜，发现皮基层体现最佳。优异到什么程度？在1mol/L的氢氧化钾（KOH）中浸泡后的西瓜皮皮基层膜的室温下的氢氧根离子的电导率要优于1mol/L氢氧化钾水溶液自身的离子电导率，也便是说，西瓜皮膜加快了氢氧根离子的传输，让氢氧根离子跑得更快。

接下来的问题是，怎么学习并仿制“模范生”的才能？

靠了解西瓜皮膜的纤细物理结构明显还不行，需求探究其更深层的机理。为什么这扑朔迷离的细密通道，只让氢氧根离子经过，而排挤了酸根离子？

比较发现现象，机理的探究愈加困难。

现在，越过杂乱而绵长的研讨进程，咱们先简略来说下成果。

研讨团队发现，本来在氢氧根离子传输上，填充在西瓜皮细胞壁纳米通道里的具有微孔结构的果胶经过限域效果构成的接连氢键网络，起了要害的效果，而背面的机制有着如“穿墙术”一般的法力。

而细胞壁中的果胶能够经过其外表的羟基官能团构成结合水，然后促进水互相相连，在限域的空间内构成接连的氢键网络。

氢键网络化学示意图，氢氧根离子传递的进程，有点像物理上的“牛顿摆”

研讨团队进一步经过模仿计算发现，果胶中富含的带有负电荷的羧酸根（- COO-）与带负电荷的甲酸根离子，“同性相斥”，阻止了甲酸根的搬迁，试验成果也证明了这一点。

答案逐步显现：一方面，氢氧根离子经过接连的氢键网络和微孔通道加快，好像上了高速公路；另一方面，酸根离子被果胶中的羧酸根排挤，并与果胶和纤维素里的羟基构成氢键，它们被拖住了。

唐堂博士在试验室，现在是西湖大学副研讨员

至此，“模范生”西瓜皮膜的机理总算根本探明。它展示出来的精妙机理，正在辅导试验室进行全新的离子传输膜规划，制备了别离用于电解水以及电化学二氧化碳复原反响的阴离子交流膜，并展示出超高功能。现在这些后续研制正在推动阶段。

但面临西瓜皮膜内扑朔迷离的纳米级通道，以及细胞壁中生物质的杂乱结构和组成，研讨团队秉持着对大天然的敬畏，仍然不敢说现已全然了解西瓜皮膜的机制。