【2024年成果总结】（修订重发）华东理工大学徐至教授课题组2024年液流电池重点研究成果总结
华东理工大学徐至教授课题组 2024年液流电池重点研究成果总结 作者简介 徐至，博士、教授、博士生导师，现担任华东理工大学化工学院院长。2008年和2015年先后在南京工业大学和辛辛那提大学获得化学工程专业学士与博士学位。近年来主要从事规整孔结构质子传导膜、二维超薄膜、气体分离膜、制氢催化剂的设计与制备研究。以通讯作者身份在Nat. Sustain.、Nat. Catal.、Angew. Chem、AIChE J.、J. Membr. Sci.、Adv. Func. Mater.等期刊发表论文90余篇。2024年入选国家杰出青年科学基金项目，作为负责人主持国家重点研发计划课题、基金委青年基金和面上基金。担任Engineering和Advanced Membranes期刊青年编委、《化工进展》和《膜科学与技术》期刊编委、Frontiers in Membrane Science and Technology 期刊副主编。本文总结了徐至教授课题组2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1、多孔陶瓷金属基液流电池复合膜 （点击论文名称查看全文赏析） 在金属基液流电池中，膜对能量转换效率和安全性有显著影响。但是由于金属枝晶的逐渐积累，膜会受到损害，导致短路和缩短循环寿命。在此，本研究开发了一种具有亚10nm厚度的聚电解质涂层的刚性分层多孔陶瓷液流电池复合膜，以实现高离子选择性和电导率，抑制枝晶，实现长循环寿命和高面容量。使用该膜制备的锌铁液流电池的能量效率达到80%，具有优异的长期稳定性（超过1000小时）和极高的面容量（260 mAh cm−2）。低场核磁共振（NMR）光谱、小角度x射线散射、原位红外光谱、固态核磁共振分析和纳米计算机断层扫描显示，薄膜中刚性的分层孔隙结构和众多的氢键网络有助于稳定运行和卓越的电池性能。该研究有助于开发用于能源和发电的下一代金属基液流电池膜。 2、钒液流电池用具有高效质子选择传输通道的聚苯并咪唑–共价有机骨架杂化膜 （点击论文名称查看全文赏析） 聚苯并咪唑（PBI）具有渗透率低和优异的化学稳定性，被认为是最有前途的质子交换膜材料之一。然而，PBI膜的低质子电导率限制了其在钒液流电池（VFB）中的商业化应用。本研究通过引入结晶共价有机框架（TpPa和TpPa- SO3h (STpPa)）制备了具有高质子导电性的PBI杂化膜。由于TpPa和STpPa内部具有高度有序的亚纳米级孔隙，在杂化膜中构建了更快的质子传输通道。同时，引入STpPa的磺酸基进一步提供了额外的质子转运位点和钒渗透屏障，从而实现了高离子选择性。结果表明，含3% STpPa的PBI杂化膜在40 ~ 240 mA cm−2的电压效率（95.22% ~ 74.84%）和能量效率（91.38% ~ 74.38%）优异，且在160 mA cm−2的电流密度下循环800次表现出优异的电化学稳定性。这项工作提供了一种简单有效的策略，通过结合功能多孔材料来构建高性能的PBI基PEMs，在VFB中具有广阔的应用前景。 3、一种为超长寿命锌基液流电池实现晶体面操纵的疏锌界面工程 锌基液流电池（ZFBs）因其高能量密度、高安全性和低成本而受到广泛关注。然而，众所周知的枝晶问题是限制ZFB商业应用的瓶颈。本研究提出了一种基于静电斥力的疏锌界面工程策略，以实现锌酸盐离子沿膜–电极界面的均匀分布，其中引入羧甲基纤维素（CMC）对膜表面电荷进行定制优化。通过分子尺度表征技术、原位动态观察和密度泛函理论研究证明，该界面工程成功实现了晶体面操纵，使优先晶体取向（（002）平面）的暴露增加了33.76%。此外，亲水性CMC的良好润湿性及其丰富的-OH官能团对载流子（OH−）输运动力学的积极影响协同作用使制备的膜具有高离子电导率。因此，采用制备膜的电池在80 mA cm−2下稳定运行超过3000次，平均能量效率为80%。本研究提供了一种新的解决金属枝晶问题的方法，从而促进了ZFB在长时储能方面的商业化。 4、用于碱性水系有机氧化还原液流电池的具有快速和选择性离子传输功能的Pd2+ 配位聚苯并咪唑膜 （点击论文名称查看全文赏析） 水系有机氧化还原流动电池（AORFBs）的发展受到高效、低阻抗和高选择性离子传导膜（ICMs）缺乏的限制。虽然聚苯并咪唑（PBI）是最具潜力的低成本非氟化离子传导膜之一，但如何设计既稳定又具备快速、选择性离子传输通道的PBI膜仍然是一项挑战。本文通过工程化调控PBI的化学结构，并优化离子传输通道，制备了一种高导电性、高选择性的Pd2+配位膜，该膜具有接枝和交联结构。在这一设计中，侧链上的季铵盐基团赋予了膜较高的OH–导电性，而季铵盐基团与去质子化咪唑基团之间的离子键形成了连续的交联网络，显著增强了膜的机械性能。此外，Pd2+与PBI的配位作用以及三氟乙酸根离子对PBI链的增塑效应，扩大了分子自由体积，同时诱导了局部收缩，从而在提升载流子传输速率的同时，有效抑制了活性物质的扩散。基于QPBI-xPBI-Pd膜组装的AORFBs在100 mA cm-2的电流密度下表现出极高的库伦效率（99.6%）和能量效率（77.67%），并在500次循环后仍保持优异的稳定性。本研究提出了一种创新策略，以优化PBI膜的性能，促进液流电池（RFBs）在大规模储能技术领域的可行性与发展。 […]