April 2026

第一作者：林旭 通讯作者：赵天寿 通讯单位：南方科技大学 DOI：10.1039/D6EE00030D 感谢南方科技大学赵天寿院士团队（第一作者：林旭）校稿！ 成果简介   本文研究了氧化还原液流电池（RFB）在极端温度下的失效机制，并综述了提高其适应性的策略，重点关注三个关键部件：电极、膜和电解液。对于电极而言，优化策略包括改进宏观参数、增加活性表面积以及引入催化位点。膜优化涉及改善物理结构、设计复合系统以及调控界面化学性质。电解液优化包含四种方法：设计活性材料的分子结构并调控其浓度比；调整溶剂的物理化学性质并优化溶质–溶剂相互作用；调控支持电解液化学微环境并构建多组分体系；通过添加剂改性分子络合与溶剂化结构。本综述还分析了当前面临的挑战，并提出了未来研究方向，包括开发新型原位表征技术以及利用人工智能驱动电池组件的创新等。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   武汉之升新能源2026版官网 www.whzs-vfb.com   背景分析   在室温条件下，RFB系统的主要损失通常为与膜及电解液离子电导率相关的欧姆损失。随着温度降至极低水平，性能瓶颈转向电极界面处的电荷转移过程和电解液内与粘度相关的传质过程。相反，在高温条件下，主要矛盾从动力学限制转变为对化学稳定性和热稳定性的制约。基于对关键失效机制的现有认知，例如电极界面反应动力学的衰减、膜离子选择性的失效，以及宽温度范围内电解液热稳定性的失衡，目前尚缺乏关于RFB宽温域性能优化策略的系统性讨论，尤其是从电极、膜和电解液等关键组件的角度进行的探讨。 图文解析 1.电极   作为电化学反应的核心位点，电极性能高度依赖于工作温度。高温在热力学上加剧了副反应，如电极表面的析氢，不仅降低了能量效率，还带来了安全隐患；相反，低温会严重限制电极反应动力学，导致反应速率和整体性能急剧下降。具体而言，在高温条件下，VFB体系中容易发生V₂O₅沉淀；而在低温环境下，水性有机氧化还原液流电池（AORFB）体系中则会产生不溶性沉淀物，从而堵塞电极进而影响电池性能。在Fe-Cr RFBs中，Cr³⁺/Cr²⁺的氧化还原动力学本就较为迟缓，低温环境会进一步抑制该过程，导致活化过电位过高而难以实现。此外，在锌基RFBs中，温度波动会显著改变锌沉积的形貌。极端温度尤其容易引发电极-电解液界面处不可控的枝晶生长，从而导致内部短路及电池失效。因此，通过电极工程克服RFBs的温度限制、提升其宽温适应性，已成为当前研究的重点与瓶颈。 1.1优化宏观参数   优化电极厚度和压缩比等宏观结构参数可以有效降低界面接触电阻，确保电解液分布均匀，从而显著提高液流电池在宽温度范围内（特别是在低温下）的电导率和反应稳定性。Praphulla等人提出通过调整电极压缩比和厚度来优化电极参数，从而提升低温性能并降低电阻。通过将电极压缩比提高至50%，或将电极厚度减小至4.6mm可有效恢复低温运行期间部分损失的放电容量和EE。 1.2增加有效面积   在电极内部构建多孔结构，既能提供充足的活性界面以加速反应，又能形成高效的传输通道以促进离子迁移，从而显著降低低温下的极化现象，并确保RFB在宽温度范围内高效运行。Liu等人通过孔道工程设计了一种多孔石墨电极。SEM观察表明，电极具有许多孔状结构，使其具有优异的电解液润湿性，并显著增加了反应表面积（图1a），并且各温度点下多孔电极的VFB的EE均高于TGF电极，且更为稳定，展现出优异的宽温适应性。Lin等人利用大气压等离子体处理GF电极，SEM显示表面工程化电极存在大量缺陷且表面粗糙度高（图1b-c）。由于反应界面与传质效率的同步优化，电化学反应的过电位显著降低。经100次原位充放电循环的化学稳定性测试表明，处理后的GF在钒电解液环境中具有高化学稳定性，且在低温条件下仍能保持良好性能。 1.3引入催化位点   在电极表面引入特定功能基团作为催化位点，可有效降低电化学反应能垒，显著提升低温环境下的电荷转移速率，从而确保RFBs在宽温度范围内保持高活性和稳定性。Liu等人采用Bi对TGF进行改性，发现Bi能在较宽温度范围内有效抑制析氢副反应。SEM显示铋纳米颗粒均匀附着于TGF表面，为钒离子氧化还原反应提供了最优反应路径（图1d）。循环伏安曲线显示，在所有测试温度下Bi/TGF均出现氧化还原峰，而TGF仅在-10°C时出现氧化峰，意味着TGF在低温下的电化学活性和可逆性不如Bi/TGF。Lin等人制备了一种磷掺杂的GF，旨在专门缓解低温下缓慢的氧化还原动力学以及高温运行时负极上的HER。磷掺杂改善了GF电解液的润湿性，并在其表面诱导了更多缺陷位点，显著提升了VO²⁺/VO₂⁺和V²⁺/V³⁺的活性与可逆性。经磷掺杂后，磷掺杂GF表面变得粗糙，磷以1.35wt%的含量均匀分布于石墨纤维表面，且磷掺杂GF对阴极液和阳极液的润湿性均显著改善（图1e-f）。宽温测试表明，磷掺杂能有效补偿低温环境引起的动力学阻碍。Wu等人制备了由氮掺杂碳纳米球（NCS）组成的电极（NCS-GF），改变了碳材料的局部电子云分布并形成了大量高催化活性位点。NCS-GF表现出优异的电催化活性和润湿性。研究人员评估了该VFB在-15至50°C范围内的性能；在CE与VE的共同作用下，NCS/GF的EE随温度升高而增加，并在15至50°C范围内保持相对稳定。 图1电极改性策略   总之，三种策略分别从工程结构、物理空间和化学活性层面系统解决了低温下传质缓慢、动力学迟缓及界面不稳定等问题，以及高温下析氢加剧等问题，从而全面提升RFB在各种工况下的容量、效率和运行稳定性。比较分析表明，相对于其他优化策略，催化位点的引入对提高RFB的EE影响最大。具体而言，宏观参数优化（如电极厚度和压缩比）主要针对欧姆电阻；增加活性面积则侧重于物理接触和质量传递；而引入催化位点则能调控电极表面的电子结构和电子云分布，有效降低了氧化还原反应的活化能。对电化学反应速率的根本性优化确保了即使在低温环境下也能实现高效的电荷传输动力学，从而维持高VE和高EE。   基于多种电极改性策略，作者团队提出了一种概念性的电子动力学补偿机制。该机制的核心在于利用微观尺度的电子结构调控，主动抵消极端温度引起的宏观传质阻力和热力学不稳定性。该机制的主要实现方式是战略性引入催化位点：在低温条件下，这些位点可调节电极表面的电子云分布，从而有效降低氧化还原反应的活化能；而在高温条件下，该机制则专门增强析氢过电位，选择性促进主要氧化还原反应，同时抑制热力学不稳定环境中的副反应。   2.膜   膜优化对于提高RFB的高温适应性至关重要，因为高温会加速膜的老化、溶胀或化学降解，导致离子选择性降低、机械强度减弱和交叉污染加剧，从而严重影响电池效率和循环寿命。低温会恶化膜的导电性能，导致离子电导率急剧下降，已成为限制电化学系统在宽温度范围内（尤其是在低温环境）稳定运行的关键瓶颈。 2.1优化物理结构   构建精细的物理结构，如3D交联网络或致密的选择性层，可以有效调节离子传输途径和膜溶胀行为，从而在宽温度范围内同步提高离子选择性和稳定性，增强RFB的环境适应性。例如，Graeme等人采用纳米纤维静电纺丝结合热压技术制备了Nafion-PVDF膜，利用PVDF的热稳定性和纳米纤维网络，在宽温度范围内协同维持膜的尺寸稳定性和可控的离子传输性能。随后使用Nafion-PVDF纤维膜的实验通过宽带电化学光谱在-100至120°C和0.03至107Hz下测量电响应，发现膜在3%的含水量下表现出最高的电导率。低吸水率表明膜几乎不会溶胀，从而能在不同温度范围内正常运行。 2.2设计多层复合结构   通过构建功能互补的多层复合结构，可在宽温度范围内协同提升离子选择性、屏障性能和机械稳定性，有效抑制电解液渗透并增强电池的环境适应性。Yu等人提出了一种双层设计的碳氢化合物膜，通过在SPEEK（SPEEK/cSPI）上喷涂交联磺化聚酰亚胺（cSPI）作为保护层，并在两者之间喷涂SPEEK过渡层，实现了无分层的集成双层膜（图2a）。紧密连接的cSPI不仅保护SPEEK膜免于降解，还增强了机械强度、抗穿刺性能以及质子/钒离子选择性。后续耐温测试表明负载SPEEK/cSPI膜的RFB在宽温度测试条件下表现出非常稳定的CE、VE和EE，展现出优异的温度变化耐受性。Mu等人设计了一种低成本、高效且耐用的新型膜材料，稻纸增强SPEEK膜（S@RP-C6），并通过热处理实现SPEEK自交联，从而提升了机械和化学稳定性（图2b）。SEM和能量色散X射线光谱表征表明，无论面向半电池的哪一侧，经过308次循环后S@RP-C6表面均未出现结构损伤迹象，表现出优异的化学与机械稳定性（图2c）。S@RP-C6的RFB在0至70°C的每个温度下测试10个循环；随着温度的升高，VE由于电化学反应动力学的改善而增加，并降低了欧姆电阻，RFB在30至50°C之间表现出最高的EE，证明了S@RP-C6膜的优异热稳定性。Wei等人制备了一种纳米多孔PTFE/SiO2复合隔膜。研究人员通过将SiO2纳米颗粒固定在PTFE纤维基质中，制备出平均孔径为38纳米、孔隙率达48%的纳米多孔结构（图2d-e）；该孔隙在RFB运行过程中充当离子传输通道，显著提升了离子传导效率。在混酸VFB体系中的性能评估表明：在-5°C至50°C温度范围内，RFB的EE介于69%至74%之间，于20°C时达到峰值79%。结果表明基于该隔膜的VRB在电流密度变化和温度波动条件下均展现出优异的电化学循环性能。 2.3调节界面化学反应   调控膜表面的功能基团及其与电解液之间的静电相互作用、酸碱相互作用或氢键网络，可增强离子选择性并抑制副反应，从而在宽温度范围内保持较高的离子电导率和稳定性。Hu等人利用加成化学方法，在多孔聚烯烃膜上构建了局部高碘浓度（LHIC）层，实现了强化学吸附效果，有效抑制了碘的渗透。图2f显示了Donnan排斥潜在的机制：MgO LHIC层产生了一个带负电荷的界面，静电排斥I₃⁻等活性阴离子,同时允许支持离子通过。更重要的是，在60°C的高温条件下，基于这种高性能隔膜的电池仍能保持95.1%的CE和67.5%的EE。采用LHIC膜组装的RFB在60°C高温下经过75次循环后容量衰减极小（图2g），而未改性的膜在11次循环内即出现性能下降。本研究充分证明，调控膜界面化学性质与相互作用可显著提升RFB的宽温性能。 图2膜改性策略   然而，除了在高温条件下实现电流密度突破存在困难外，针对低温环境的膜优化所面临的挑战更为严峻。主要的瓶颈在于低温下水分子网络的受限动力学，会引发离子电导率的指数衰减。此外，聚合物在低温条件下的玻璃化转变会导致材料脆化；相反，传统提高导电性的方法，例如增加水合度或酸含量往往会在常温下引发严重溶胀并降低机械强度。为解决这些难题，作者团队认为设计适用于宽温区应用的膜材料时，必须同时兼顾热力学响应与动力学调控。仅依赖静态结构设计已不再足够，而应重点开发能够根据温度波动主动调节微观特性的智能膜界面。具体而言，引入热敏官能团或形状记忆聚合物片段是一种极具前景的策略：在高温下，这些片段可通过疏水塌陷作用有效抑制活性物质因温度升高而增强的扩散；而在低温条件下，氢键网络的解离可降低质子跃迁所需的活化能，从而抵消低温环境带来的动力学限制。   3.电解液   电解液的广泛温度应用面临着系统性挑战：在高温下，成分有化学稳定性下降、分解/挥发和副反应加剧的风险；在低温条件下，电解液通常表现出反应动力学迟缓、离子电导率降低、粘度增加以及结晶/沉淀现象，从而严重限制了电池在极端环境下的性能和可靠性。 3.1活性物质   作为直接的能量载体，活性材料决定了RFB电压、能量密度和功率密度。然而，一旦工作温度超过正常范围，活性材料就会面临因溶解度突然下降而沉淀、因离子交叉加剧而交叉污染以及固有化学稳定性恶化的风险。 3.1.1设计分子结构   对活性分子化学结构进行合理设计，能够从根本上提升其溶解度、稳定性和反应动力学性能，是赋予RFBs优异宽温适应性的核心方法。Feng等人通过分子工程手段改造芴酮分子，实现了无需催化剂即可在室温下实现可逆的酮类氢化与脱氢反应。通过DFT计算结果表明：还原态FL物种的质子化是其在水介质中电化学可逆性较差的关键因素（图3a）。此外，研究预测：随着吸电子基团强度的增强，FL-OH在不同吸电子/给电子基团条件下的相对酸解离常数会向更小值偏移，表明可逆性得到提升（图3b）。Jiang等人基于碱性铁基RFB设计了一种稳定的阳极材料Fe（TEA-2S），该材料通过在碱性环境中使用富含磺酸根的配体（TEA-2S）与铁离子结合制备而成。这种结构增加了结合能，并提供了抑制配体交换的空间保护，确保复合物在高温操作的高动力学要求下保持完整（图3c）。实验发现使用Fe(TEA-2S)作为阳极液、传统亚铁氰化物作为阴极液的RFB电池在2000次循环中实现了极低的容量衰减速率（每日0.17%，每循环0.0014%）。而且，由于高温下氧化还原电对的电化学动力学增强，该电池在55°C时的EE可高达90.3%。此外，即使在极低温度（-30°C）下，Fe(TEA-2S)的溶解度仍高达1.85mol/L，理论容量为49.58Ah L⁻¹。Wang等人设计了一种多电子杂多酸电解液H₆P₂W₁₈O₆₂（HPOM），具有极快的氧化还原动力学、低冰点和高电子溶解度。循环伏安曲线表明，HPOM的氧化还原反应在-20°C下具有高可逆性；而常用V²⁺/V³⁺的反应动力学在低温下显著下降，是由于温度降低时峰分离度大幅增加所致。后续低温测试结果表明，HPOM的氧化还原反应即使在-20°C下仍表现出极高的可逆性和反应动力学（图3d-e）。 3.1.2调节浓度比   有针对性地调节电解液浓度比是解决RFB在高温或低温环境下粘度激增、溶解度下降和副反应加剧等瓶颈问题的重要手段。Liu等人首次在电解液中引入了V/H比，并系统研究了作用机制。研究发现，较低的V/H比有助于提高实际电解液利用率。尽管理论容量密度较低，但实际放电容量更高。实验结果表明：在100mA […]

第一作者：葛广谞 通讯作者：李先锋，张长昆 通讯单位：中科院大连化物所 DOI：10.1002/anie.9982136 感谢大连化物所李先锋团队（第一作者：葛广谞）校稿！ 成果简介   本研究实现了对偶氮吡啶（AZO）衍生物的电子结构与动态空间位阻的双重调控，有效提升了偶氮键的键能，并缓冲了氧化还原诱导的分子结构变化。由此，偶氮键断裂及亲核副反应均得到抑制，同时提升了氧化还原电位（0.9V vs. SHE）与电池稳定性。此外，通过对溶剂化壳层阴离子的进一步调控，有效缓解了分子聚集并降低了溶剂化重组能，从而使电池能量效率提升约60%。基于此，AZO的AOFB展现出优异的循环耐久性（超过7000次循环，即>1400小时）。而且，在2.4M的高电子浓度下，稳定运行1250次循环，能量密度达到70.4Wh L⁻¹。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   武汉之升新能源2026版官网 www.whzs-vfb.com   背景分析   近期关于AOFBs的研究主要集中在负极电对的设计，而已报道的正极电对虽表现出优异的稳定性，但氧化还原电位仍相对较低。开发具有高氧化还原电位的稳定正极活性电对仍是关键挑战。高氧化还原电位意味着可逆结构演变过程中需要更高的吉布斯自由能，从而可能引发电解液中水或其他亲核试剂的亲核加成等副反应。例如，3,3’，5,5’-四甲基胺亚甲基-4,4’-联苯具有0.91V的高氧化还原电位，但高电子浓度的长期循环稳定性尚未被报道。类似地，氧化还原电位为0.82V的N，N，N’，N’-四乙基联苯胺也因通过N─N偶联反应形成的σ–二聚体而表现出0.25%/循环的快速衰减速率。据报道，氯化螺双芴铵盐在约1.05V的电位下可实现四电子转移，但氧化态CSFA会被H2O自发还原，分解为无氧化还原活性的产物。甲基化的4,4、–偶氮吡啶衍生物（4,4′-AZOMPy）在约0.86V的电位下实现了双电子转移，但其氧化还原动力学较差，因此电池的倍率性能较差，尤其在氧化（脱氢）过程中。此外，还原态下的─NH─NH─键断裂通常由光照、加热、氧化还原环境或催化活化触发，导致活性位点丧失。因此，电池还存在库仑效率（CE<98%）低和容量衰减的问题。由此可见，针对高电位分子的理性设计以提升动力学性能并抑制降解，对于实现适用于AOFBs的高电位、长寿命有机正极活性电对至关重要。   图文解析 1.合成的正极电对的理化特性 图1.4-4′-AZO衍生物的结构特性   吡啶氮上的电子密度决定了其吸电子强度，进而调节偶氮单元的氧化还原电位。作者团队通过一步烷基化反应合成了甲基化的(4,4′-AZOMPy)和烷基磺酸链修饰的4,4′-偶氮吡啶衍生物(4,4′-PyAzPS)，以调控其电子结构和溶剂化结构。循环伏安法表明4,4′-PyAzPS在约0.90V处表现出更高的氧化还原电位。此外，4,4′-PyAzPS的峰分离度小于4,4′-AZOMPy，表明其氧化还原反应的可逆性更优。基于Randles–Sevcik方程的扩散系数显示4,4′-PyAzPS的扩散动力学也快于4,4′-AZOMPy。进一步将支持电解质调整为3M HCl有效的将4,4′-PyAzPS的粘度降低约37%，扩散系数提高了约26%。   前线分子轨道分析发现，4,4′-PyAzPS的HOMO-LUMO能隙（2.47 eV）窄于4,4′-AZOMPy（3.45eV），反映了偶氮基（─N═N─）向肼基（─NH─NH─）结构的转变，重构了π共轭结构并局域化了轨道，从而降低了电子导电性。此外，4,4′-PyAzPS的静电势比4,4′-AZOMPy更负，归因于高极性磺化烷基链的吸电子效应。因此，4,4′-PyAzPS在室温下于3M HCl溶液中具有高于1.2M的溶解度。4,4′-PyAzPS的最大ESP（约74kcal mol−1）低于4,4′-AZOMPy（约161kcal mol−1），表明前者可能更耐受亲核攻击。此外，4,4′-PyAzPS更大的分子体积（472ų vs. 268ų）和增强的空间畸变使其跨PBI膜的渗透性（3.9×10−13cm² s−1）低于4,4′-AZOMPy（3.1×10−12cm² s−1），可能导致交叉现象减少，从而提升电池性能的稳定性。 2.电解液分析 图2.电解液分析   核磁共振谱显示在相同的化学环境中，4,4′-PyAzPS的1H NMR化学位移相较于4,4′-AZOMPy向低场移动，表明电子密度降低且分子间屏蔽效应增强。此外，4,4′-PyAzPS中磺化烷基链产生的强烈空间位阻导致其分子构型发生空间扭曲，从而有效抑制π-π堆积反应，进一步减弱分子间聚集。相应地，4,4′-PyAzPS在DCl中的弛豫时间（T1和T2）也反映了其溶剂化结构更具动态重组动力学以及更快的溶剂交换速率。   此外，基于AZO-ORAMs的电池在电流密度分别为10、20、40、60、80和100 mA cm-2时，均表现出接近100%的CE，容量利用率分别为91%、89%、85%、82%、80%和75%。充放电曲线清晰表明，还原态AZO衍生物的氧化过程慢于其还原过程，导致电化学极化增大。然而，将3M H2SO4溶液替换为3M HCl溶液后，电池极化降低，且在100mA cm⁻²下，基于0.1M 4,4′-PyAzPS的电池中位充放电电压差从0.8V降至0.3V。同时，电解液利用率和电能量转换效率分别提升至约80%和77%，其VE提高约60%。而基于4,4′-AZOMPy的电池电解液利用率仅从63%轻微提升至64%。 3.机理研究 图3.机理研究   与报道的联吡啶衍生物不同，4,4′-PyAzPS在可逆烯醇化互变异构过程中的原位紫外-可见光谱中在208至283nm之间表现出明显的可逆转变，对应于可逆的π-π*转变，在高波数区域没有额外的n-π*贡献，证实了活性位点位于芳香环外的偶氮基团（─N═N─）上，而非环内的吡啶单元。原位¹H NMR显示4,4′-PyAzPS的1H信号在可逆充放电过程中呈现周期性变化，说明4,4′-PyAzPS可作为稳定的双电子转移活性电对。

第一作者：王宏达 通讯作者：叶强 通讯单位：上海交通大学 DOI：10.1016/j.apenergy.2026.127860 感谢上海交通大学叶强团队（第一作者：王宏达）校稿！ 成果简介   本研究提出了一种创新的原位方法，利用对称电池评估多孔碳毡电极上Fe²⁺/Fe³⁺和Cr²⁺/Cr³⁺的电极动力学。首先通过高频阻抗测试确定欧姆极化，并从总极化中扣除欧姆极化，即可在浓差极化可忽略的条件下获得氧化还原电对的活化极化曲线。随后通过Butler-Volmer拟合获得反应速率常数和电荷转移系数。最终，利用原位动力学参数构建的模型得到了全电池实验数据的验证，证实了其可靠性，并为ICFBs建立了全面的建模框架。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   先前关于液流电池的动力学研究主要依赖于采用平面电极的三电极系统，并结合循环伏安法（CV）、电位阶跃法及电化学阻抗谱（EIS）等技术。尽管这些研究提供了基础性见解，并推动了改进型多孔电极的研发，但非原位实验条件无法反映实际运行中的液流电池环境。此外，能够显著加速液流电池开发的综合性建模研究也因缺乏相关动力学数据而受阻。此问题在铁铬液流电池（ICFBs）领域尤为突出：目前相关研究仍以实验为主，可获取的模拟研究参数极为匮乏。   主要挑战在于：模型中使用的动力学参数通常源自对平面电极或未压缩碳毡进行的静态、非原位测试。这些测试条件无法反映实际运行电池多孔电极内的反应动力学特性，尤其是电极压缩和强制对流所产生的影响。因此，测得的参数不足以准确量化单电池的实际活化极化损失。尽管研究常采用CV、EIS及全电池测试来证明电极改性带来的优势，但这些研究往往缺乏对由此产生的动力学参数变化及极化行为的精确量化分析。 图文解析 1.实验装置 图1实验系统示意图   本文采用自主研发的液流电池组件，采用对称电池设计来分析多孔碳毡电极上Fe2+/Fe3+和Cr2+/Cr3+的反应动力学。在此配置中，电解液从储罐1泵入电池1两个半电池的入口；随后收集来自各半电池出口的电解液，通过单根管道汇合后重新返回储罐1。 图2. 对称电池工作原理的示意图   该装置确保阳极和阴极始终使用相同的电解液。在此对称配置下，同一氧化还原电对在两个电极上发生对称相反的反应，从而不会导致整体电解液成分发生净变化。因此，入口电解液浓度在整个运行过程中保持恒定一致，确保达到稳态条件。为验证建模结果，采用全电池配置获取极化曲线，其中正负极电解液分别储存在储罐2和储罐1中。 2.浓差极化与欧姆极化的分析 图3.对称电池的电化学性能   本电化学测试所施加电压对应于所测电流对应的总过电位。电池的面积比总电阻（Rtot）通过低电流密度下极化曲线的斜率确定。由于仅浓度电阻具有流速依赖性，极限电阻代表欧姆极化与活化极化之和。因此，极限值与实验数据之间的差异即对应于浓差极化。由图可见，浓差极化随流速增加而减小，在表观流速超过4.00cm s-1（108mL min-1）时可忽略不计。 图4.对称电池的高频电阻测量结果   EIS测试显示在25°C时，Fe²⁺/Fe³⁺对称电池的阻抗（0.2622Ω cm²）低于Cr²⁺/Cr³⁺对称电池（0.2989Ω cm²），与Fe²⁺/Fe³⁺更高的电导率一致。该趋势在65°C时依然存在：阻抗分别降至0.1614Ω cm²和0.2287Ωcm²，表明温度升高可提升电导率并降低欧姆损失。 3.测量的电极反应动力学 图5.不同温度下氧化还原电对活化极化的Butler–Volmer拟合曲线   本研究通过所设计的方法分析曲线的截距和斜率，计算出相应的动力学参数：对于Fe²⁺/Fe³⁺体系，反应速率常数在25°C时为1.75×10⁻⁴ m s⁻¹，在65°C时为2.43×10⁻⁴ m s⁻¹，电荷转移系数分别为0.473和0.492；对于Cr²⁺/Cr³⁺体系，速率常数在25°C时为1.71×10⁻⁶ m s⁻¹，在65°C时为1.25×10⁻⁵ m s⁻¹，转移系数分别为0.268和0.377。测试结果的关键在于：动力学参数是基于实际使用的液流电池配置（配备负载状态的碳毡电极）得出的。相较于非原位方法，该方法能更准确地反映运行中ICFB系统多孔电极内的真实电化学动力学行为。 4.全电池极化条件下的模拟与验证   图6.在60mL min⁻¹流速和80mA cm⁻²下，实验测得与模拟全电池极化曲线对比   在25°C和65°C条件下、充电和放电电流密度为80mA

通讯作者：唐奡 通讯单位：中科院金属研究所 DOI：10.1016/j.cej.2026.176486 成果简介   本研究通过碳热反应设计了一种优异的双功能碳毡电极。铋改性电极显著增强了电极与钒离子之间的d-p轨道杂化，从而提升了催化活性，并大幅加速了V²⁺/V³⁺的缓慢氧化还原反应动力学。此外，蚀刻后的电极表面富含边缘碳原子，为氧化还原反应提供了大量活性位点。经测试，铋改性电极在350mA cm⁻²下展现出优异的循环稳定性（1000次循环），能量效率保持在79.4%，明显提升了钒氧化还原液流电池性能。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   钒液流电池（VFB）的能量存储与释放机制，源于电极–电解液界面处多价钒物种形成的可逆氧化还原电对。与传统可充电电池相比，VFB能够独立调节能量输出与功率输出，并具备长循环寿命和高运行安全性。作为反应平台，电极决定了电荷转移和界面动力学过程，从而影响能量转换效率、功率输出能力及长期稳定性。然而，商用碳毡有限的活性位点密度会导致反应动力学效率低下，成为主要的动力学瓶颈。为克服此限制，引入金属催化剂和表面蚀刻技术已成为有效解决方案：金属催化剂通过优化反应路径降低动力学障碍，而蚀刻技术则通过形成多孔结构和催化活性缺陷位点增加可接触表面积。尽管这些策略具有优势，但以往采用金属添加剂的方法通常难以在碳毡表面形成足够的界面附着力，易从电池表面剥离，从而影响实际电池的耐用性。除此之外，仅基于碳毡纤维蚀刻的表面工程通常无法提高电极导电性。因此，开发一种稳定的金属催化剂基碳毡具有重要意义。   图文解析 1.电极的制备和表征 图1.电极的制备和表征   在热解过程中，Bi（NO3）3在500℃下转化为Bi2O3、然后在900℃下进行碳热还原形成金属铋。与此同时，碳纤维表面会形成蚀刻缺陷。热力学分析表明，Bi₂O₃在400°C以上会发生自发的碳热还原反应。此外，扫描电子显微镜形貌显示：温度越高，Bi₂O₃越容易被还原为金属铋。与原始碳纤维光滑的表面相比，经铋改性的碳毡在较高温度下表现出更多蚀刻缺陷和更细小的颗粒。进一步能量色散X射线光谱证实碳毡表面同时存在金属铋颗粒和Bi₂O₃颗粒，证明了金属铋的成功还原。 图2.电极的结构和理化特性   此外，X射线衍射图谱证实了沉积在碳毡上的添加剂具有晶体结构。与原始碳毡相比，Bi₂O₃-CF和Bi-CF分别显示出各自的单相特征，而Bi/Bi₂O₃-CF则表现出两种组分来源的晶体相共存。X射线光电子能谱显示碳毡基底具有特征性的C 1s和O 1s信号，而改性电极中则出现明显的Bi 4f和Bi 4d特征峰，表明铋元素已成功负载于碳毡表面。此外，Bi-CF的高分辨率Bi 4f谱图主要显示金属铋信号，证实Bi₂O₃在二次高温退火过程中被还原为铋。   同时，接触角结果证实了Bi-CF的润湿性显著提升。拉曼光谱测得ID/IG随退火温度升高而增加，Bi-CF材料中该比值达到1.44，表明碳骨架中产生了显著的缺陷。BET显示Bi-CF具有最高的孔体积和最丰富的介孔分布，表明铋介导的蚀刻诱导缺陷产生了额外的电化学活性位点，并扩展了可接触的反应表面积。   2.电化学性质 图3.电极的电化学性质   循环伏安测试显示Bi-CF电极的氧化还原峰电位间距最小，表明具有最佳可逆性。此外，Bi-CF电极具有最低的电荷转移电阻，从而实现了最快的VO2+/VO2+反应动力学。得益于金属铋的引入，钒离子的界面电荷转移显著增强，从而提高了反应效率并有效降低了VO2+/VO2+氧化还原反应的活化能垒。同时，线性扫描伏安法测试表明，与原始CF电极相比，Bi-CF电极的析氢过电位向负方向移动至−0.52V，同时析氢电流降低至−0.1A，表明对氢析出的抑制效果有所提升。   另一方面，在V²⁺/V3+氧化还原反应中，循环伏安显示Bi-CF电极显示出清晰的氧化还原峰，峰间电位差为ΔE=256mV；而原始CF电极因析氢作用未观察到明显的还原峰。此外，电化学阻抗谱显示，金属铋改性电极的电荷转移电阻最低，进一步证实了金属铋在催化碳毡阳极V2+/V3+动力学方面的有效性。进一步，与原始碳毡相比，酸浸渍电极仍表现出更高的V2+/V3+可逆性及更快的动力学性能。这一结果表明，仅通过实施富含缺陷的碳毡表面工程处理，即可显著提升界面反应活性并降低动力学能垒。   3.催化机理 图4.电极的催化机理   第一性原理计算选取Bi(012)、Bi₂O₃(201)和C(001)表面相应的吸附能分别为−5.6eV、3.87eV和−2.49eV。Bi(012)表面最低的吸附能表明其具有最强的相互作用，证实了金属铋能促进钒物种吸附并促进界面电荷转移。态密度的电子结构分析显示石墨的重叠面积仅为4.89，表明V-3d与C-2p轨道间存在较弱的d-p杂化；而Bi和Bi₂O₃的重叠面积分别增至8.37和7.64，表明V-3d与Bi-6p轨道间的d-p杂化显著增强。缺陷位点的吸附能及投影态密度显示与理想的C(001)表面相比，富含蚀刻缺陷的表面表现出更强的钒吸附能力以及增强的d-p轨道杂化效应。综合来看，Bi蚀刻电极上改进的阳极氧化还原化学反应源于金属铋与蚀刻产生的碳缺陷之间的协同催化作用。   4.电池性能 图5.电池性能   全电池测试显示在200mA cm⁻²下，采用改进阳极的电池表现出更低的电压滞后和显著更高的放电容量，电解液利用率提升7.3%。这些优势在更高电流密度下更为明显：在350mA cm⁻²下，极化电压从429mV降至283mV（降低34%），放电容量从463mAh增至599.5mAh（提升29.5%），电解液利用率相应从52%提高至68%。同时，在350mA cm⁻²下，VE和EE分别达到79.8%和79.5%，较原始电极电池提高了11%。长期循环测试显示在350mAcm⁻²下循环超过500次后，电池仍保持99.8%的CE和79.4%的EE，表明副反应得到有效抑制。   核心结论   本文通过热力学分析确定了Bi诱导碳毡纤维蚀刻的温度窗口。调整退火温度和持续时间可以产生催化活性的金属铋以及丰富的边缘型碳缺陷，增加了比表面积并增强了表面润湿性。电化学测试进一步证实，双功能蚀刻碳毡显著加速了V²⁺/V₃⁺的氧化还原反应动力学。吸附能计算和投影态密度分析表明，钒离子在金属铋表面的吸附能力增强，电子杂化作用得到提升，从而降低了氧化还原反应的动力学能垒。采用铋改性电极构建的电池在350mAcm⁻²下实现了79.4%的能量效率，并能稳定运行超过1000次循环。    

第一作者：陈科宇 通讯作者：贺高红&焉晓明 通讯单位：大连理工大学 DOI：10.1016/j.memsci.2026.125527 感谢大连理工大学贺高红团队校稿！ 成果简介   本文开发了一系列新型支化氟磺酸质子交换膜，该膜在四氟苯基磺化聚合物主链中引入了刚性的三维三苯胺支化结构，该结构能有效抑制溶胀率，从而降低钒离子渗透率；同时，支化结构的设计形成了丰富的微孔通道，显著提升了质子传导性能。基于此，该膜在30℃时表现出120mS cm⁻¹的高质子电导率，且钒离子渗透率极低（1.69×10⁻⁹cm²·s⁻¹）。当组装成VRFB后，电池在200mA cm⁻²下能量效率达84.5%，在300mA cm⁻²下仍可达到79.4%，性能优于商用Nafion膜。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   磺化芳香族聚合物因其易于合成和优异的化学稳定性而备受关注，典型代表包括磺化聚醚醚酮和磺化聚苯并咪唑。然而，性能主要取决于磺化度，过高的磺化度会导致较高的溶胀率，从而加剧钒离子渗透现象。Jannasch等人开发的方法将氟原子的吸电子效应与刚性聚合物结构相结合，不仅增强了磺酸基团的酸性，从而在无需高磺化度的情况下提高了质子传导性，还有效抑制了膜的溶胀率。Xu等人采用三维支化网络结构构建微孔膜的方法，成功在膜中形成了大量微孔；该方法可形成更连续的离子传输路径，显著提升整体离子传输能力。此外，支化结构的引入还能增强不同聚合物片段间的连接性，进一步降低溶胀率。   图文解析 1.结构表征 图1.聚合物结构的表征   TPPFBA-x聚合物最初通过缩合反应合成。1H NMR谱显示p-三苯基苯环的质子信号出现在7.28–7.70 ppm范围内。约7.18ppm和5.97ppm的额外化学位移分别归因于位于缩合反应位点的TPAM苯环和C-H基团的质子信号，证实了TPPFBA-15%的成功合成。此外，¹⁹F NMR谱图（图2b）显示TPPFBA-15%样品中的三个氟信号经磺化处理（PFBS-15%）后减少为两个，进一步证实取代反应成功。   2.微孔特性 图2.PFBS-x微孔的特性   二氧化碳吸附实验表明，支链单体的加入使CO2吸附能力从8.5cm3g-1提高到13.6cm3g-1。此外，观察到额外生成亚纳米级微孔，表明TPAM的掺入促进了微孔的形成。TPAM的引入使膜的自由体积分数从35.19%增加至43.19%。表明与线性膜相比，支化膜具有更高的自由体积可及性。原子力显微镜显示TPAM掺入后，丰富的微孔结构形成了更连续的离子传输通道。因此，三苯胺支化单体的掺入造就了具有更高微孔率和连续离子传输通道的膜结构。   3.物理化学性质 图3.物理化学性质的特征   添加TPAM并未引起PFBS-x系列膜的IEC发生显著变化。对于PFBS-x膜而言，随着支化程度的增加，WU有所上升，但溶胀行为受到显著抑制，可归因于聚合物膜内部存在的微孔结构，有效消除了WU与SR之间固有的正相关关系。尽管磺化处理后拉伸强度有所下降，但PFBS-x膜的拉伸强度随TPAM含量的增加而增强。研究结果表明TPAM的引入能有效提升机械稳定性并抑制溶胀现象。   质子电导率随TPAM含量的增加而相应提升，归因于较高的吸水率以及丰富的微孔结构所提供的更多微孔通道。此外，与具有柔性侧链的Nafion 212相比，全刚性PFBS膜的特点是聚合物链的流动性受限，疏水性聚合物骨架较少，自组装能力减弱。这种降低也可归因于刚性支化结构对SR的抑制作用，该结构有效阻碍了钒离子的渗透。本研究结果表明TPAM支化结构能显著提升膜对质子的选择性渗透性能，适用于VRFB应用。   4.钒氧化稳定性 图4.PFBS-x膜的钒氧化稳定性   钒氧化稳定性实验显示通过引入TPAM分支结构，膜的钒氧化稳定性得到提升，主要归因于降低的SR和钒离子渗透性。进而有效抑制了VO2+对膜结构的氧化降解作用。此外，三苯胺支化膜表现出更高的LUMO能级，表明该结构不易接受电子，因此对VO2+的攻击更具抵抗力。总之，引入TPAM支化结构并未对VRFBs中膜的稳定性产生不利影响。   5.电池性能 图5.电池性能   基于PFBS-x的电池展现出显著更高的CE，明显高于Nafion 212；同时，CE也随分支程度的增加而提升。此外，在相同电流密度下，PFBS-x基电池表现出更优的VE。例如，基于PFBS-15%的电池在200mA cm⁻²下实现了84.5%的EE（在300mA cm⁻²时为79.4%），优异的EE得益于三苯胺支化结构的双重作用：既能抑制膜溶胀，又能形成丰富的微孔以促进离子传输。   此外，基于PFBS-15%的电池展现出更高的放电电压和功率密度：峰值功率密度达到508mW cm⁻²，而Nafion 212膜仅为310mW cm⁻²。在300mA

第一作者：彭涛 通讯作者：牛迎春 通讯单位：中国石油大学 DOI：10.1016/j.est.2026.121866 感谢中国石油大学徐春明院士团队（第一作者：彭涛）校稿！ 成果简介   徐春明院士团队徐泉课题组在本研究中提出了一种表面工程策略：通过苯胺（ANI）自组装聚合反应及高温碳化处理，在碳布表面沉积了聚苯胺（PANI）衍生的富氮碳网络。改性电极（记为C-PANI@CC）的比表面积提升了近十倍（5.351m²/g，而原始CC仅为0.576m²/g），丰富的活性位点与高效的氮掺杂共同提升了ICRFBs中的反应动力学和质量传输效率。此外，多物理场模拟表明改进后的比表面积和电导率显著优化了放电过程中的电位分布和产物分布。基于此，C-PANI@CC电极在140mA cm⁻²下仍保持83.83%的高能量效率，并在300次充放电循环中表现出稳定性能。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   PANI  作为一种富含氮的碳前驱体，在电催化剂和电化学器件领域备受关注。通过高温热解作用，聚苯胺的石墨结构能够将多种氮形态（如吡啶氮、吡咯氮和石墨氮）整合到碳骨架中，使其成为富氮掺杂的理想载体。然而，苯胺的电化学聚合过程速率较快，难以在碳布表面进行均匀生长。因此，在设计高比表面积的微结构时，需要采用具有更高容错性和更好可控性的聚合方法。通过低温化学聚合方法，搭配高温碳化工艺，成功实现了同相成核的网状聚苯胺结构生长。   图文解析 1.形态学与结构特征 图1电极制备示意图   聚苯胺的同相成核生长可以得到理想的高比表面积结构，而后期的异相成核生长会出现团聚状的颗粒，影响整体均匀性。在高温碳化过程中，处于围通过异相成核形成的PANI聚集体发生了显著的质量损失，这表明后期异相成核产物优先发生热降解。保留下来的结构主要由同相成核的网状碳化PANI纳米纤维构成，纳米纤维之间形成了相互连接的网络构型。该碳化网络具有分级孔隙结构，提供了丰富的活性位点和高效的电子传输路径。增大的比面积促进了反应物在电极表面的扩散和界面传递，而改善的电导率则有助于电池系统内的离子传导。总体而言，结构优化显著提升了电极-电解液界面处的电化学反应动力学性能。 图2.电极形貌   CC和TCC的纤维表面均具有相似的粗糙纹理，其特征为脊状结构。经过改性后，碳布表面被PANI衍生的涂层结构密集覆盖，在外围区域呈现出明显的异相成核诱导的PANI体相层。经过高温碳化处理后，外围异相成核的PANI体相结构基本消失，内层由丝状纳米纤维组成的多孔网状碳层得以保存。丰富的活性位点均匀分布于碳网络中，而交织的PANI衍生碳框架优化了导电网络，促进了电极-电解液界面处的离子扩散速率，从而提高了物质传输效率。元素分析进一步证实了C、N和O元素的均匀分布。 图3电极的物理特性   BET分析显示原始CC、TCC及C-PANI@CC样品均呈现明显的滞后回线，表明存在毛细管冷凝引起的解吸滞后现象。C-PANI@CC中观察到的H4型滞后现象证实了其丰富的微孔和介孔结构。比表面积测量显示，C-PANI@CC的比表面积从原始CC的0.576 m²/g提升至5.351 m²/g。拉曼光谱显示CC、TCC和PANI-12h的ID/IG分别为1.10、1.13和1.45，表明碳化聚苯胺层为碳纤维布电极提供了更多的缺陷位点，从而相应改变了电极表面的结构有序度。   XPS证实原始CC与C-PANI@CC的对比分析显示氮元素的形态分布呈现显著增长：吡啶氮从0.3975%增至0.6715%（增长1.7倍）；吡咯氮从0.3134%增至0.9976%（增长3.2倍）；氧化态氮从0.0211%增至0.1518%（增长7.2倍）；石墨态氮从0.0880%增至1.0091%（增长11.5倍），高效的氮掺杂作用可促进氧化还原反应的进行。   2.多物理场的Comsol仿真 图4.电极中活性离子和过电位的分布   浓度分布剖面显示最高浓度出现在中央进料通道附近，而改良后的碳布确保了产物在出料通道附近分布均匀，降低了局部浓差极化现象，并提高了Cr²⁺/Cr³⁺和Fe²⁺/Fe³⁺的氧化还原转化效率。CC样品有限的比表面积和较低的导电性导致Cr2+形成了更为陡峭的浓度梯度，TCC样品中的Cr2+浓度梯度分布有一定的改善。相比之下，C-PANI@CC材料表现出更均匀的Cr2+分布，归因于其增强的导电性促进了离子在电池内的传输。此外，CC样品的低导电性限制了Fe³⁺的扩散，导致其在阴极附近局部积聚并形成明显的浓度梯度。而C-PANI@CC样品通过优化的表面特性促进了Fe³⁺的均匀分布。值得注意的是，与TCC相比，C-PANI@CC在Cr²⁺和Fe³⁺浓度均匀性方面的提升并非在所有位置都更为显著，这归因于C-PANI@CC表面复杂的碳层结构使得原始传质路径更为迂回，从而在一定程度上阻碍了传质过程，但电导率的大幅改善有效缓解了这一效应。   过电位分布图显示CC较低的导电性导致局部出现高电流密度区域，从而产生较高的过电位，降低了工作电压并加剧了欧姆损失；TCC的过电位虽有所降低，但改善幅度有限；相比之下，C-PANI@CC凭借其优异的导电性实现了均匀的电流分布，显著降低了局部过电位，提升了能量效率稳定性。   3.电化学性能 图5电极的电化学性能   与对照样品相比，C-PANI@CC的Fe²⁺/Fe³⁺的CV曲线在阳极峰电流（Ipa）和阴极峰电流（Ipc）方面均表现出显著提升。此外，与CC和TCC相比，C-PANI@CC上Cr³⁺/Cr²⁺的氧化还原活性显著增强，峰值电流密度大幅提高，源于PANI衍生碳层提供的丰富活性位点，并促进了Cr³⁺/Cr²⁺氧化还原体系的反应动力学。 图6电池性能     C-PANI@CC电极凭借独特的网状碳层结构，在所有性能指标上均表现优异：初始EE达到83.8%，较原始CC的79.17%显著提升；在60次循环中平均EE提升5.34%，稳定性也得到增强。C-PANI@CC的60次循环平均CE达97.94%，优于TCC（96.70%）和CC（96.87%）；平均VE达84.35%，超过TCC  （81.41%）和CC（79.76%）。   第20次循环的充放电曲线显示由于“铬老化”效应，CC和TCC电解液中的有效铬离子浓度显著下降，导致浓差极化加剧。此外，析氢副反应的累积影响以及循环过程中碳布性能的衰减，进一步加速了未改性碳布电极的容量衰减。相比之下，尽管C-PANI@CC未能显著抑制“铬老化”效应，但在整个循环测试中仍表现出更低的电化学极化和更高的充放电容量。   此外，在200mA/cm²下，电池仍能保持74.98%的高能量效率，证明C-PANI@CC电极具有出色的倍率性能。140mA/cm²下的长循环测试显示C-PANI@CC在能量效率方面明显优于CC和TCC电极。   核心结论   本研究提出了一种无需粘合剂的结构改性策略，利用苯胺的自组装过程在碳布电极表面形成聚苯胺层。通过高温碳化，设计了一种具有超大比表面积和丰富活性位点的富氮碳网络，显著增强了铁铬氧化还原液流电池中的反应动力学和传质过程。与原始碳布（0.576m²/g）相比，C-PANI@CC的比表面积提高了近十倍，达到5.351m²/g。此外，Comsol多物理场模拟表明增大的比表面积和优异的导电性能显著降低了放电过程中的过电位，使得反应产物的浓度分布更加均匀。因此，在140mA cm⁻²下，C-PANI@CC实现了83.83%的高能量效率，并在300次循环中保持稳定性能。

第一作者：魏世俊、尚赫男 通讯作者：蒋浩然、何章兴 通讯单位：天津大学、华北理工大学 DOI：1016/j.cej.2026.176224 感谢天津大学蒋浩然团队（第一作者：魏世俊）校稿！ 成果简介   本研究创新性地采用界面功函数工程策略，通过整合具有不同电子能级的两种材料优化电荷转移效率。以铋元素为例，采用高孔隙率金属有机框架衍生的碳层进行封装处理，可实现表面电子分布优化并形成内部电场，促使电子向碳壳层迁移，从而显著提升V³⁺/V²⁺氧化还原反应的界面电荷转移效率与催化动力学。基于此，采用制备电极的VRFB在300mA cm⁻²下可实现1130mW cm⁻²的峰值功率密度及81.20%的能量效率，较传统电极提升12.30%。该电池在超过1800次循环中保持稳定性能，能量效率衰减率仅为每循环0.0027%。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   作为材料表面电子状态的指示器，功函数是指电子从费米能级逃逸到真空能级所需的最小能量，提供了一种直接和可量化的方法来影响和控制催化活性的电子性质。该特性与界面电子转移能垒及反应物的吸附能学密切相关，因此，通过合理调整这一特性可实现对表面电子结构的有效调控。功函数较低的催化剂有利于电子逸出，而功函数较高的催化剂则会抑制此过程。因此，通过结合两种具有显著功函数差异的材料，可精确调控界面功函数，优化活性位点对反应物的吸附，并提升表面氧化还原反应的动力学。利用功函数差异构建内置电场的策略已广泛应用于多种催化体系：例如，利用CoWO4/g-C3N4 p-n结可增强光催化析氢过程中的电荷分离；MoS2-Cu2O异质结构可提高二氧化碳还原反应中的甲醇产率；碳布上的Mo2N-MoSe2界面可加速析氢动力学。由于多孔电极上钒离子的电子转移步骤对局部电子结构和电荷分布高度敏感，因此，调节催化剂表面的功函数能有效调控界面电荷转移的驱动力以及钒物种的吸附–解吸平衡。引入功函数调控技术为重构催化剂界面电子结构提供了清晰且高效的方法，从而有效提升其固有催化性能。因此，功函数工程不仅超越了单纯的表面改性范畴，更成为重构界面电子结构并内在增强钒反应动力学的基本策。   图文解析 1.合成与结构表征 图1.WF-GF制备工艺及设计原理示意图   作者团队通过水热法在GF表面原位生长了Bi-MOFs，实现了前驱体与基底之间的紧密整合。随后的高温碳化处理成功将Bi-MOFs转化为碳包封的铋纳米颗粒，从而形成具有紧密界面结合和高效电子传输的Bi-C异质结界面。功函数调制后铋的示意图如图1b所示。在接触前，碳的功函数高于铋，而费米能级低于铋。在形成碳-铋界面时，电子从金属铋流向碳层，直至费米能级达到平衡，从而重构界面处的电子结构。 图2.电极样品的形态学表征   SEM显示P-GF具有光滑表面，而T-GF则表现出带有细小孔隙的刻蚀表面。此外，球形Bi-MOF前驱体与WF-Bi均匀锚定在GF表面。这些纳米颗粒的球形结构赋予改性石墨毡更大的比表面积，从而促进电解质与电极活性位点之间的接触。TEM显示铋纳米颗粒被碳层包裹，核壳结构有效调控了铋纳米颗粒表面的功函数，促进了催化剂的高效电子传递。ACBF -STEM图像显示WF-Bi具有明显的晶格条纹，未观察到明显缺陷或结构畸变。同时，HAADF-STEM成像显示WF-Bi由暗区和封闭的亮区构成。全面的形态学、结构学及成分表征结果共同证实，该工作函数调控的铋催化剂已成功锚定在GF上。 图3.电极样品的宏观物理特性及结构表征   XPS谱图显示，Bi MOF-GF和WF-GF中铋与碳是主要元素，氧主要以源自MOF前驱体或表面氧化作用的含氧官能团形式存在。此外，WF-GF在163.30eV和158.00eV处仅出现一对新峰，对应碳热处理过程中铋纳米颗粒与碳层间形成的Bi-C键，证实了金属铋与碳基体的成功结合。此外，WF-GF的Bi 4f峰（164.50eV和159.20eV）相较于Bi MOF-GF的峰（164.90eV和159.60eV）呈现负位移（结合能降低），源于氧原子的电负性显著高于碳原子。XPS结果证实工作函数调节策略能够协同调控WF-GF的结构与电子特性。   XRD显示WF-Bi的衍射峰与金属铋的菱面体相完美匹配，证实了Bi纳米粒子的成功形成。拉曼光谱技术测得WF-GF的ID/IG达1.33，显著高于T-GF和P-GF，表明缺陷密度与无序度增强，有利于钒离子吸附及氧化还原反应。BET显示与T-GF（0.16m²/g）相比，WF-GF表现出显著更大的比表面积（1.94m²/g）。全面的物理化学表征结果凸显了WF-GF在结构有序性、缺陷密度、比表面积和亲水性方面的协同增强效应。   2.机制分析 图4.通过DFT计算验证了所制备催化剂的内在催化机制   金属铋与石墨碳的功函数分别为3.80eV和3.99eV。在金属铋与碳层接触前，金属铋具有较低功函数和较高费米能级。接触后，电子从金属铋向碳层转移直至费米能级对齐，从而形成内建电场，可有效降低电荷转移电阻。Bi-C键形成的WF-Bi结构中，铋核会失去电子，处于电子缺陷态，显著降低了局部费米能级，进而降低了整个系统的费米能级，最终导致功函数的整体增加。与此同时，碳表面的电子积累促进了V3+/V2+活性物种的吸附，而升高的功函数则增强了V3+/V2+氧化还原反应中的电子转移。   不同催化剂样品上钒离子的吸附能显示WF-Bi复合结构中的Bi(012)晶面展现出最佳吸附性能，钒离子吸附能低至-4.84eV，低于原始C(0001)晶面（-0.57eV）和纯Bi(012)晶面（-3.96 eV）。结果证实，通过碳层包覆修饰的铋基催化剂具有显著提升的钒离子吸附能力。差异电荷密度分布直观揭示在金属铋与碳层的相互作用下，铋原子作为电子供体，实现定向电荷向碳层的转移。顶视图图像进一步证实，碳原子在复合结构中成为富电子中心，从而显著提升了钒离子吸附能力。总体而言，通过调节功函数可精准调控铋基催化剂的表面电子态，不仅增强了钒离子吸附性能，还能加速氧化还原反应中的本征电荷转移过程，最终优化了电极表面钒离子的反应动力学特性。   3.电化学性能与全电池测试 图5.电极样品的电催化活性与阻抗分析   循环伏安法曲线显示WF-GF催化剂在阴极和阳极处分别达到-83.63mA cm⁻²和84.54mA cm⁻²的峰值电流，显著高于T-GF催化剂（-57.75mA cm⁻²和60.76mA cm⁻²），证实了优异的电催化活性。同时，WF-GF表现出更小的ΔE值，并且阴极峰值电流与阳极峰值电流比值更接近1，进一步验证了其电化学可逆性提升及整体性能优势。数据对比表明，碳铋界面处的电场作用与功函数调控引发的电子结构重构共同促进了电极电化学性能的提升。   EIS显示WF-GF表现出最小的半圆曲线，对应最低的电荷转移电阻（1.30Ω），而P-GF（15.70Ω）和T-GF（2.80Ω）则更高。此外，WF-GF在低频下更陡的斜率表明活性离子在电极-电解质界面处的扩散动力学较T-GF更优。EIS结果证实WF-Bi内部电场促进了V3+/V2+氧化还原反应的电荷转移。 图6.电极样品的充放电及极化测量结果   无论是低电流密度还是高电流密度，采用WF-GF组装的电池相较于T-GF均表现出显著降低的过电位和提升的比容量，且高电流密度下的性能改善更为明显。过电位最小化与比容量最大化的双重特性共同证实，工作函数调控电极具有极佳的极化抑制能力。此外，WF-GF表现出最低的平均充电电压和最高的平均放电电压，进一步验证了降低极化能力的优势。   图7.WF-GF在全电池中的性能测试结果

第一作者：郭玉洁 通讯作者：吴雪梅 通讯单位：大连理工大学 DOI：10.1039/x0xx00000x 感谢大连理工大学贺高红&吴雪梅团队校稿！ 成果简介   本文提出了一种新型樟脑磺酸基团作为体积庞大、非共平面质子导电功能侧链，并将其接枝于磺化聚苯并咪唑（SPBICa）上。该基团有助于削弱聚合物链的紧密堆积，不仅提高了磺酸基团自聚集能力以形成比原始SPBI（7.85nm）更大的离子簇（8.97nm），还形成了具有质子/钒离子筛分能力的自由体积。樟脑磺酸接枝度为110%的SPBICa-1.10膜实现了53.3mS cm⁻¹的高质子电导率、0.14Ω cm²的极低面电阻以及1.97×10⁻⁹ cm² s⁻¹的钒离子渗透率。因此，SPBICa膜表现出27.1×10⁹ mS s cm⁻³的离子选择性，约为商用Nafion 212膜的49.5倍。基于此，SPBICa-1.10膜组装的VRFB在200mA cm⁻²下实现了81.3%的能量效率。经过650次充放电循环后，电池展现出极低的容量衰减速率，每循环仅0.15%，显著优于采用SPBI和Nafion212膜的电池。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   目前，提高离子交换容量、接枝亲水侧链或在聚合物主链中引入疏水嵌段等策略被广泛应用于增强质子传导通道的尺寸与连通性。具体而言，较高的IEC可增加膜内亲水区域比例，从而为质子传导提供更多活性位点。引入柔性亲水侧链能提升局部链段的流动性，促进离子簇的形成与相互连接。同时，构建亲水疏水嵌段结构可借助热力学作用形成更规则的微相分离形态，进而建立连续的质子传导路径。然而，这些方法仍面临显著挑战：芳香族聚合物主链中因强π-π堆积作用及广泛氢键网络导致链段紧密堆积，会限制微相分离能力及离子簇的空间排布，使得形成互连质子传导通道变得困难。   为提高离子导电膜的链间间距并增加膜内自由体积，研究者在膜结构中引入了大体积或非共面结构单元。从分子层面来看，纳米级空腔可在不引起膜溶胀的情况下提供水分渗透空间，通过格罗特胡斯机制促进质子传导并保持低溶胀比。当自由体积尺寸介于水合质子与钒离子的运动直径范围（通常为3-8Å）时，可作为质子/钒离子筛分通道以降低钒离子渗透性。尽管具有上述优势，但目前报道的用于VRFBs应用的大体积或非共面结构单元（如三苯基膦、稠合芳香环、叔胺、咪唑鎓阳离子、网状结构、三联苯、金刚烷、离子簇水解、共价有机框架及金属有机框架）普遍缺乏磺酸或膦酸等有效质子传导基团，导致膜材料内电荷载流子密度不足，进而限制了固有质子导电性。因此，在保持离子导电膜适当机械强度与尺寸稳定性的同时，设计非共面结构单元对实现高效质子传导至关重要。   图文解析 1.SPBICa的化学结构 图1樟脑磺酸接枝磺化聚苯并咪唑的化学结构   图1的核磁共振氢谱和FTIR光谱分析进一步证实了SPBICa的成功合成。接枝度通过积分峰面积比计算得出为43.5%至156.0%，离子交换容量测定为3.34-4.24mmol g-1。   2.SPBICa的微观结构 图2樟脑磺酸接枝磺化聚苯并咪唑的形态结构   图2的扫描电子显微镜图像显示，SPBICa膜具有均匀致密的形态结构且无明显缺陷。TEM图像清晰展示了疏水性聚合物基质（亮区）内分布的纳米级离子簇（暗区），且SPBICa中的离子簇尺寸显著大于SPBI。此外，正电子湮灭寿命谱显示SPBICa膜中存在微孔结构，孔径集中在1-3 Å范围内。这种亚纳米级孔隙结构不仅能储存液体以促进质子传导，还能通过分子筛效应有效阻隔钒离子渗透，从而协同提升膜对质子/钒离子的选择性。 图3樟脑磺酸接枝聚苯并咪唑膜微观结构的分子模拟   图3的径向分布函数分析显示所有膜材料中磺酸基团间的S-S峰均出现在约5Å处，其中SPBICa表现出最强的S-S相互作用，表明其具有更优异的微相分离能力。SPBICa还呈现出自由体积分数逐渐增加的趋势，且其孔径3-8Å的孔隙比例显著高于原始SPBI。结果证实自由体积的增大源于樟脑磺酸侧链所具有的大体积非平面结构特征。这种结构能诱导更多相互连接的微相分离通道与自由体积筛分路径产生协同效应，使得SPBICa膜的质子扩散系数较SPBI膜提升34.1%（从3.20×10⁻⁹ m² s⁻¹增至4.29×10⁻⁹ m² s⁻¹），钒离子扩散系数降低26.1%（从2.53×10⁻⁹ m² s⁻¹降至1.87×10⁻⁹ m² s⁻¹）。   3.SPBICa膜的基本特性 图4樟脑磺酸接枝聚苯并咪唑膜的基本性质   图4显示SPBICa膜展现出优异的吸水能力和机械性能。其中，SPBICa-1.10膜表现最佳，拉伸强度达106.3MPa，断裂伸长率为69.3%。此外，SPBICa-1.10膜的质子电导率达53.3mS cm⁻¹，高于SPBI膜（28.9mS

手把手教您测试液流电池的极化曲线和功率密度曲线（以全钒液流电池体系为例） 1.单电池测试系统搭建 （1）组装单电池，检查密封性能 组装单电池（正确安装膜和石墨毡电极），用软管连接单电池、蠕动泵及储液罐。连接单电池温控器（设置35℃）及充放电测试仪（如新威）。 推荐：一体化液流单电池测试系统（YTH-1）2025升级款（如下图），主要配置如下： 单电池活性面积：2 ×2 cm2 电极：4.35 mm石墨毡 隔膜：50 μm全氟磺酸膜 钒电解液：1.7 M V3.5+ + 4.3 M H2SO4 （点击上述图片查看产品介绍） （2）电解液活化与预充电 排气：正负极储液罐分别灌入30 mL 3.5价钒电解液，先开蠕动泵循环排气10-30分钟，确保软管和单电池内无气泡。 活化：负极储液罐充氮气10分钟排除空气后密封。电池充放电测试仪的测试线分别接上单电池夹具的正负极铜片。第一次充放电活化步骤：用80 mA/cm2的电流密度（以4 cm2活性面积为例，则设定电流值为4 × 80 = 320 mA）充电至1.65V截止，然后用80 mA/cm2电流密度放电至0.8 V截止。正负极蠕动泵频率设置：100 Hz。 预充电：完成活化后做3 ~ 5圈完整的充放电循环（电密：80 mA/cm2，电压范围：0.8 ~ 1.65 V，泵频率：100 Hz ），让电解液充分活化。 （3）SOC校准 100%SOC：采用小电流密度（50 ~ 80 mA/cm2）对单电池进行充电，截止电压为1.65 V（若条件允许，可额外采用恒压充电至电流小于10 mA/cm2），记录100%SOC下的充电容量数据（记为：RL）；达到截止条件后，静置5 ~ 10分钟，确认开路电压（OCV）稳定在1.4 ~ 1.5 V 左右，此时视为100% SOC。 90%SOC：充放电软件里面设置充电容量截止模式，采用小电流密度（50 ~ 80