微孔大作用，传输超快！Joule发表大连化物所/帝国理工学院最新电化学科研进展！

文摘 2024-12-22 09:30 上海

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论文拟解决的关键挑战：

液流电池在长期电网规模储能方面具有广阔的应用前景。离子交换膜在决定液流电池的资本成本、能源效率、可持续性和操作稳定性方面起着至关重要的作用。然而，传统的离子交换膜具有有限的自由体积和较差的离子传导性，在应用上受到电导率和选择性之间权衡的限制。开发廉价、高导电性和选择性的隔膜至关重要，但也是一项挑战。

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图文简介：

针对上述挑战，中国科学院大连化学物理研究所的李先锋研究员、帝国理工学院的宋启磊教授和Kim E. Jelfs教授等人在Joule发表论文，该团队开发了一种具有相互连通的亚纳米通道的分子工程碳氢化合物离子交换膜（磺化聚(醚-醚-酮)（sPEEK）聚合物膜），实现了快速和选择性的离子传输，并提高了氧化还原液流电池(RFBs)的能量效率和操作稳定性，实现了破纪录的能量效率。

通过将三蝶烯引入聚(醚-醚-酮)并控制磺化，作者得到了本征微孔聚合物膜，其形成了高度互连的水通道，有利于电荷平衡离子，特别是氢氧根离子的传输。这些微孔膜具有高离子传导率，而不会损害对氧化还原活性物质的选择性。骨架中的三维(3D)三蝶烯部分对苯基的完全取代导致了扭曲的聚合物链的形成。作者使用硅烷保护的磺化剂，精确控制磺化度，对桥联双环三蝶烯进行磺化。

分子模拟表明，所制备的磺化聚合物膜具有增强的自由体积元素，并形成了相互连通的水通道，在保持对氧化还原活性物种的高离子选择性的同时，实现了电荷平衡离子的快速传输。磺酸盐基团通过静电相互作用允许K⁺进行快速交换，同时连续氢键网络的形成也通过Grotthuss (跳跃)机制促进OH^-离子的传输，从而实现碱性电解质中的双离子传输。

该膜在碱性水系有机和锌铁液流电池中表现出优异的性能，具有长期稳定性，高功率密度和高达700 mA cm^-2的工作电流密度，能够稳定运行长达1个月。该膜还改善了在中性pH水溶液RFB中的性能，具有较高的容量利用率和保持率，提高了能量效率，并提高了功率密度。

作者认为，这项工作提出的分子工程方法将启发下一代离子交换膜的开发，用于低成本氧化还原液流电池和电化学存储。

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