Wassermelonenschale, das hast du toll gemacht! Dieses wissenschaftliche Forschungsteam in meinem Land hat eine weitere wichtige Errungenschaft hervorgebracht

Kürzlich veröffentlichte das Team von Sun Licheng vom Future Industry Research Center und der School of Science der Westlake University ein bahnbrechendes Forschungsergebnis in Nature Communications. Inspiriert von Membranen aus Wassermelonenschalen schlugen sie eine Strategie zur Konstruktion neuartiger Ionentransportmembranen (ITMs) vor, die bei der elektrochemischen Kohlendioxid-Reduktionsreaktion (CO2RR) eine überlegene Leistung zeigten.

Die Wassermelonenschalenmembran ist die grüne Membran auf der äußersten Schicht der Wassermelonenschale. Nach dem Einfrieren und Abziehen ist es nur etwa 75 Mikrometer groß, also etwa der Durchmesser eines Haares, zeigt aber ein wunderbares „Designdenken“. Und diese Forschung begann mit diesem „eisernen Narren“.

Sun Lichengs Team schält die aufgetaute Wassermelonenhaut ab

Während des Drachenbootfests 2021 machten Liu Qinglu und Tang Tang Überstunden, um Experimente durchzuführen. Sie kauften Wassermelonen von einem Händler am Schultor und legten sie in die Schnellgefrierschicht, in der Hoffnung, dass die Wassermelonen schneller abkühlen würden. Infolgedessen war ich so mit Experimenten beschäftigt, dass es mir erst mehrere Tage später einfiel.

Tang Tang kaute die Eisreste, während er die natürlich abgefallene Wassermelonenschale betrachtete. Freunde, die oft Obst einfrieren, müssen wissen, dass sich die Schale nach dem Auftauen leicht abziehen lässt. Tang Tang und Liu Qinglu diskutierten: Ist die Melonenschale nicht eine natürliche Membran? Dies ist ein Entwurf aus der Natur und zugleich eine der Forschungsrichtungen, denen sich das Team von Akademiker Sun Licheng widmet – die Ionentransportmembran .

Ionentransportmembranen sind Schlüsselkomponenten von Systemen zur Umwandlung und Speicherung erneuerbarer Energien, wie etwa der elektrochemischen Kohlendioxid-Reduktionsreaktion, der Wasserelektrolyse und Brennstoffzellen. Ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Effizienz der Energieumwandlung und die Kosten der Produktsammlung aus . Die derzeit weit verbreiteten Ionentransportmembranen werden in vier Kategorien eingeteilt, weisen jedoch alle zahlreiche Einschränkungen auf:

Die poröse Membran weist eine geringe Energieeffizienz und schlechte Gasbarriereeigenschaften auf.

Protonenaustauschmembranen basieren auf teuren Elektrokatalysatoren der Platingruppe;

Die Kosten für die Sammlung von Anionenaustauschmembranprodukten sind hoch;

Ionensolvatationsmembranen basieren auf einer hohen Konzentration an Kaliumhydroxid-Elektrolyt.

Die Ionentransportmembran in einem idealen alkalischen elektrochemischen Kohlendioxid-Reduktionssystem sollte eine selektive Permeabilität aufweisen, wie ein „Netz“ – sie lässt Hydroxidionen (OH-) im Elektrolyten ungehindert passieren, blockiert jedoch die Kohlendioxid-Flüssigprodukte im Kathodenelektrolyten – wie Formiat, Acetat, Ethanol usw., wodurch die Trennkosten gesenkt werden.

Dies mag etwas widersprüchlich erscheinen, aber die Wassermelonenschale, die „den ersten Test bestanden“ hat, scheint diese magische Fähigkeit zu besitzen.

Schematische Darstellung der Wassermelonenschalenmembran, die im Wesentlichen aus drei Schichten besteht. Die Kutikula ist die äußerste Hornschicht, die Epidermis ist die Oberhaut und die Hypodermis ist die Unterhautschicht

Warum weist die Schale einer Wassermelone diese Ionenselektivität auf?

Zunächst einmal müssen Sie die Schale von Wassermelonen aus biologischer Sicht ausreichend verstehen.

****Durch verschiedene Charakterisierungstechniken identifizierte das Forschungsteam die Hauptbestandteile der Zellwand – darunter Zellulose, Hemizellulose und Pektin . Die Zellulose ist regelmäßig angeordnet und bildet einen dreidimensionalen Kanal mit einem Durchmesser von 2 bis 5 Nanometern, und das Pektin füllt diesen regelmäßig angeordneten dreidimensionalen Faserkanal gleichmäßig aus.

Molekulardynamisches Simulationsmodell von pektinhaltigen Zellulosefaserbündeln

Derzeit kann selbst die fortschrittlichste Chip-Herstellungstechnologie der Menschheit nur Logikschaltkreise in einem Bereich von weniger als 5 Nanometern produzieren. Bei der Herstellung von Wassermelonenschalen ist dies jedoch die „Grundoperation“ und die „Produktionszeichnungen“ sind in ihrer DNA gespeichert.

Das Forschungsteam unterteilte die Wassermelonenschalenmembran weiter und stellte fest, dass die subkutane Schicht am besten funktionierte. Wie ausgezeichnet ist es? Die Leitfähigkeit von Hydroxidionen in der subkutanen Membran einer bei Raumtemperatur in 1 mol/l Kaliumhydroxid (KOH) eingeweichten Wassermelonenschale ist besser als die Ionenleitfähigkeit der 1 mol/l wässrigen Kaliumhydroxidlösung selbst. Mit anderen Worten: Die Membran der Wassermelonenschale beschleunigt die Übertragung von Hydroxidionen und ermöglicht den Hydroxidionen einen schnelleren Lauf.

Die nächste Frage ist: Wie kann man die Fähigkeiten von „Musterschülern“ erlernen und nachbilden?

Es reicht offensichtlich nicht aus, die subtile physikalische Struktur der Wassermelonenschalenmembran zu verstehen; wir müssen seine tieferen Mechanismen erforschen. Warum lässt dieser komplizierte und feine Kanal nur Hydroxidionen durch und schließt Säureionen aus?

Verglichen mit der Entdeckung von Phänomenen ist die Erforschung von Mechanismen schwieriger.

Lassen wir nun den komplizierten und langwierigen Forschungsprozess überspringen und einfach über die Ergebnisse sprechen.

Das Forschungsteam entdeckte, dass bei der Übertragung von Hydroxidionen das kontinuierliche Wasserstoffbrückennetzwerk, das durch das mikroporöse Pektin gebildet wird, das die Nanokanäle in den Zellwänden der Wassermelonenschale durch Einschluss füllt, eine Schlüsselrolle spielt, und dass der Mechanismus dahinter die Magie des „Durch-Wände-Gehens“ besitzt.

Das Pektin in der Zellwand kann über die Hydroxyl-Funktionsgruppen auf seiner Oberfläche gebundenes Wasser bilden, wodurch die Verbindung zwischen Wasser und Wasser gefördert wird und ein kontinuierliches Wasserstoffbrückennetzwerk in einem begrenzten Raum entsteht.

Schematische Darstellung der Chemie von Wasserstoffbrückennetzwerken. Der Prozess der Hydroxidionenübertragung ähnelt ein wenig dem „Newtonschen Wiegesystem“ in der Physik.

Das Forschungsteam fand durch Simulationsrechnungen außerdem heraus, dass die in Pektin reichen, negativ geladenen Carboxylat-Ionen (-COO-) und die negativ geladenen Formiat-Ionen sich gegenseitig „abstoßen“ und die Migration der Formiat-Ionen behindern, was auch durch experimentelle Ergebnisse bestätigt wurde.

Die Antwort ergab sich nach und nach: Einerseits wurden die Hydroxidionen durch das kontinuierliche Wasserstoffbrückennetzwerk und die mikroporösen Kanäle beschleunigt, als würden sie auf eine Autobahn gelangen; Andererseits wurden die Säureionen von den Carboxylaten im Pektin abgestoßen und bildeten Wasserstoffbrücken mit den Hydroxylgruppen in Pektin und Zellulose, wodurch sie nach unten gezogen wurden.

Dr. Tang Tang im Labor, jetzt assoziierter Forscher an der Westlake University

An diesem Punkt ist der Mechanismus der „Musterschüler“-Wassermelonenschalenmembran endlich im Wesentlichen erforscht. Der ausgeklügelte Mechanismus, den es demonstriert, dient dem Labor als Vorbild für die Entwicklung einer neuen Ionentransportmembran und für die Herstellung von Anionenaustauschmembranen für die Wasserelektrolyse und elektrochemische Kohlendioxidreduktionsreaktionen, die eine ultrahohe Leistung aufweisen. Diese weiterführenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten befinden sich derzeit in der Durchführungsphase.

Angesichts der komplizierten Nanokanäle in der Membran der Wassermelonenschale und der komplexen Struktur und Zusammensetzung der Biomasse in der Zellwand wagt das Forschungsteam aus Ehrfurcht vor der Natur jedoch immer noch nicht zu sagen, dass es den Mechanismus der Membran der Wassermelonenschale vollständig verstanden hat .