May 11, 2026

  第一作者：李鑫丰 通讯作者：王超 通讯单位：中北大学 成果简介 本研究，中北大学王超团队通过引入多孔聚酰亚胺（PI）、COF-LUZ和COF-TpBpy等微孔填料，成功制备了一系列磺化聚醚醚酮（SPEEK）基复合膜，并明显提高了钒氧化还原液流电池（VRFBs）的性能。与纯SPEEK和Nafion 212膜相比，S/PI、S/LUZ和S/TpBpy复合膜因SPEEK与填料形成的酸碱相互作用，表现出更低的钒渗透率和更高的离子选择性。此外，S/LUZ复合膜还展现出更长的自放电时间和更高的电池效率。采用S/LUZ复合膜组装的VRFB在电流密度为80 mA cm−2.时，获得89.1 %的库仑效率（CE），而纯SPEEK和Nafion 212膜仅为81.3%和83.1 %。此外，采用S/LUZ膜组装的VRFB展现出更高的能量效率（EE）（77.3 %），优于Nafion 212（73.2 %）、SPEEK（74.7 %）、S/PI (72.5%）和S/TpBpy（73.2 %）。研究结果表明S/LUZ膜具有广阔的发展前景，为VRFB膜的商业化提供了重要参考。 相关成果以“High-ion selectivity composite membrane based on sulfonated polyether ether ketone for vanadium redox flow battery”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。 感谢 中北大学王超团队（第一作者：李鑫丰）校稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（YTH-1/LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 微孔聚酰亚胺（PI）具有丰富且均匀分布的微孔结构，有利于质子传导，并能有效屏蔽钒离子，从而提升膜材料的离子选择性。共价有机框架（COFs）凭借规则的孔道结构和可调节的孔径尺寸，在提高离子筛选效率以及开发高质子导电性的储能膜方面展现出巨大潜力。然而，大多数独立式PI和COF膜缺乏足够的机械强度，无法直接应用于液流电池，因此需要制备PI和COF复合膜来解决此问题。SPEEK的引入使得PI丰富的微孔结构为质子传输提供了额外通道，与SPEEK的离子交换基团通过酸碱相互作用形成稳定的质子传输网络，不仅提升了复合膜在钒电池中的离子选择性和整体性能，还为高性能PI膜材料的开发开辟了新途径。SPEEK通过引入-SO3H功能化链的空间位阻效应，增强了膜阻隔电解液交叉渗透的能力。同时，-SO3H基团提供了额外活性位点，促进了更连续质子通道的形成，为共价有机框架膜在液流电池中的应用铺平了道路。 本研究，中北大学王超团队通过引入PI、COF-LUZ和COF-TpBpy等微孔填料，成功制备出系列SPEEK基复合膜。研究人员巧妙利用多孔填料的离子交换基团选择性和筛分功能，实现了离子选择性的协同增强。研究表明SPEEK基质中的磺酸基团可提供质子转移位点。此外，多孔填料中胺基与磺酸基形成的氢键不仅为质子传输提供了更多跃迁位点，还构建了连续有序的质子传导通道。同时，多孔填料固有的胺结构会引发Donnan效应，既能阻隔钒离子渗透，又能形成连续有序的质子传输路径。此外，复合膜中胺基与磺酸基间的界面相互作用会形成酸碱对，进而形成的离子交联结构，既能抑制分子链运动，又构建了高效的质子传输通道，从而有效促进质子运输并阻止钒离子渗透。此外，该团队还详细研究了不同含量对复合膜的化学和物理性质的影响，如吸水率（WU）、溶胀率（SR）、离子交换容量（IEC）、机械性能、孔隙率、钒渗透性、电导率和整体VRFB性能。 核心内容 1.结构表征 图2分别展示了SPEEK/多孔填料复合膜的数码照片和扫描电镜图像。本研究制备的复合膜展现出良好的均匀性和透明度。三种多孔填料（PI、COF-LUZ和COF-TpBpy）均匀分散在SPEEK基体中。所得复合膜均匀、表面光滑且无任何可识别缺陷，共同表明SPEEK与上述填料之间具有良好的相容性，可能归因于SPEEK中的磺酸基团与PI、COF-LUZ和COF-TpBpy填料之间的酸碱离子交联的形成，有助于增强填料与SPEEK之间的相容性。 图2.(a)-(d)SPEEK、S/PI、S/LUZ和S/TpBpy的宏观形貌及微观形貌；（a′）–（d′）横截面微观形貌 图3(a)展示了PI的XRD谱图，其中在2θ=10◦-35◦处观察到的宽峰可归因于PI的结晶成分。图3(b)中COF-LUZ在2θ=4.86◦处的吸收峰表明其层间距为10nm。图3(c)显示三种复合膜均呈现宽谱特征，说明复合膜整体呈非晶态结构，主要由SPEEK基体主导。即使引入少量共价有机框架填料对复合膜的影响也相对有限，表明基于SPEEK的复合膜已成功制备。 图3为(a) PI、(b) COF-LUZ、COF-TpBpy、(c)S/PI、S/LUZ和S/TpBpy的XRD光谱 图4(a)-(c)展示了PI、COF-LUZ和COF-TpBpy材料的N2吸附脱附等温线，图5(a)-(c)则呈现了孔径分布（范围分别为2-215nm、2-888nm和2-199nm）。实验测得自制PI的比表面积为359.779 cm²/g，而COF-LUZ和COF-TpBpy的比表面积分别为33.657 […]