自工业革命以来，人类社会对能源的需求日益增长。然而，传统的化石燃料不仅资源有限，而且在使用过程中产生大量的温室气体，加剧了全球气候变化问题。因此，开发可再生、高效、低碳的能源成为了科学家们亟待解决的问题。其中，电化学二氧化碳还原(ECR)技术被认为是一种具有巨大潜力的新能源技术，可以将二氧化碳转化为有用化学品，如甲醇和碳酸酯等。
近日，西湖大学未来产业研究中心、理学院人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成团队将西瓜皮膜用于电化学二氧化碳还原反应中，其展现出卓越的性能。受此启发，研究团队提出了一种构建新型离子传输膜(itms)的策略。相关研究日前发表在《自然·通讯》期刊。
经过深入研究，团队揭示了西瓜皮膜在二氧化碳电化学还原中离子选择性透过的机理。“填充在西瓜皮细胞壁纳米通道里的果胶形成的微孔结构，以及通过微孔限域作用形成的连续氢键网络，对氢氧根离子的传输起到了关键作用。” 孙立成解释，简单来说，氢氧根离子通过微孔结构和氢键网络实现高效传递，如同上了高速公路;而酸根离子则因与果胶中富含的羧酸根“同性相斥”，同时还与果胶和纤维素里的羟基形成氢键，但酸根离子无法通过氢键网络传递，因此被“拖住”了。
解冻中的西瓜皮。图源：西湖大学
离子传输膜是电化学二氧化碳还原反应、电解水和燃料电池等可再生能源转换与存储系统的关键部件，其性能直接影响能源转换效率和产物收集成本。“目前广泛使用的离子传输膜存在诸多局限，而此次研究的西瓜皮膜展现出了优异的性能，为解决现有离子传输膜的问题提供了新的思路和方法。” 孙立成说。
据悉，基于西瓜皮膜的传输机制，孙立成团队正在进行新型离子传输膜设计，并制备了分别用于电解水以及电化学二氧化碳还原反应的阴离子交换膜，展现出优异性能。目前这些后续研发正在推进阶段。
总之，孙立成团队的研究为电化学二氧化碳还原技术的发展带来了新的机遇。通过利用西瓜皮膜等天然资源，他们成功地构建了一种高效的离子传输膜，并为实现绿色、低成本的二氧化碳还原技术提供了有力支持。这一成果不仅有助于应对全球气候变化挑战，还将为相关领域的研究提供新的启示。
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