第一作者：朱孜璇

通讯作者：王彪

通讯单位：东华大学

DOI：10.1016/j.jcis.2026.141151

工作简介

感谢东华大学王彪团队（第一作者：朱孜璇）供稿！

本文所用

快拆型液流单电池测试系统（KCB-CZ）

由武汉之升新能源有限公司提供

研究背景

核心内容

1. 膜构筑与结构表征

图1 膜的制备与表征

以商用Nafion 115为基膜，首先利用PEI阳离子电解质进行表面预充电，再交替沉积阴离子型SL，通过静电吸附形成多层组装体，最终以GA交联固定三维网络结构。该过程（图1a）保持了基膜的柔韧性，且交联层与基底结合紧密，经3M胶带剥离测试无脱落。AFM和SEM显示，改性后表面粗糙度由0.53 nm升至3.60 nm，截面未见分层，表明层间结合良好。FT-IR新出现的C=N特征峰及XPS中N 1s信号的出现，证实了PEI/SL交联层的成功引入。EDS元素映射显示氮元素在表面均匀分布。TGA表明改性膜热稳定性提升，有利于VRFB长期运行。

2. 物理化学性能与离子传导选择性

图2 性能

力学测试表明，改性后膜的拉伸强度与模量均有所提升（图2a）。溶胀率显著降低而吸水率相近（图2b），归因于静电交联与共价网络的协同约束。在1.5 M VOSO₄/3 M H₂SO₄中浸泡100天后，FT-IR与SEM未发生明显变化，证实其耐酸耐氧化性良好。

质子传导方面，N115-(PEI/SL)₂的面电阻为0.184 Ω cm²，接近原始膜的0.152 Ω cm²，计算电导率略有下降，但与文献对比仍处于领先水平（图2f）。钒渗透测试表明，改性后渗透率从21.22×10^-7cm² min^-1降至1.53×10^-7 cm² min^-1（降幅92.80%），离子选择性高达42.65×10⁷ mS cm^-3 min，较原始膜提升约990.8%。分子动力学模拟显示水合质子扩散速率远高于钒离子（图2e），理论验证了选择性筛分效果。

3. 离子选择性传输机制

图3 传输机理

为阐明选择透过机理，研究者从结构–化学双角度开展分析。CO₂吸附–脱附及DFT孔径分析表明，PEI/SL交联层具有大量0.65–0.86 nm的超微孔，介于水合钒离子（~0.8 nm）与质子（~0.3 nm）尺寸之间，可发挥精确的尺寸筛分作用（图3a）。同时，LbL组装过程中表面Zeta电位由负转正，最终达+1.6 mV，产生Donnan排斥效应，进一步抑制钒阳离子透过（图3b）。分子动力学模拟揭示，SL的-SO₃H与H₂O/H₃O⁺之间形成强氢键网络（O-O径向分布函数第一峰<2.5 Å），PEI中的N原子亦参与氢键，构建了连续质子跳跃通道（Grotthuss机制）。三者协同（图3e）打破了传导率–选择性贸易限制。

4. VRFB电池性能

图4 VRFB性能

组装单电池测试表明，N115-(PEI/SL)₂膜在全电流密度范围内均呈现更高库仑效率（CE）和能量效率（EE）。80 mA cm^-2下CE达96.20%，EE为85.14%，优于原始Nafion（CE 94.29%，EE 81.77%）；200 mA cm^-2下EE仍保持68.11%。充放电曲线显示其放电电压平台更高、容量更大（图4d）。自放电测试中，改性膜电池自放电时间长达231.6小时，远超原始膜的86.6小时，有力印证了钒阻隔能力。

图5 长循环性能

核心结论