June 2026

第一作者：袁先之 通讯作者：梁振兴、黄明保、万凯 通讯单位：华南理工大学、中山大学 DOI：10.1016/j.ces.2026.124436 感谢华南理工大学梁振兴团队（第一作者：袁先之）校稿！ 工作简介 本研究将多物理场建模与实验验证相结合建立了基于化学特性的电极结构尺度原理。在水系有机液流电池（AORFB）中快速反应动力学与低离子导电率的耦合作用使得88.0%的电化学反应仅发生在1.1 mm厚的近膜区。这种空间局域性导致传统厚电极的大部分结构变得冗余，成为寄生欧姆耗散和泵耗的主要来源。相反，全钒体系的缓慢反应动力学要求反应分布范围扩大至2.5 mm，以降低活化过电位。通过将电极物理尺寸与有效反应深度相匹配，采用0.60 mm电极可显著提升AORFB的效率。这种针对性结构优化消除了冗余传输路径，在保持80%EE的前提下，实验显示电流密度提升两倍（从60 mA cm-2增至120 mA cm-2）。此外，最优电池单元的峰值体积功率密度达到约3000 mW cm-3（提升幅度达681%）。基于这些发现分析得出了一条依赖于化学特性的尺度定律参数图谱，证实最佳电极厚度本质上由动力学–传输区间的转变所决定。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 液流电池的性能从根本上取决于动量、质量及电荷传输过程与多孔电极内部非均相电化学动力学之间的耦合作用。因此，电池内部结构在很大程度上决定了系统效率与功率密度。最新研究表明，通过优化流体分布和电极压缩比来改进这些结构，已被证实能有效提升功率输出。例如，在蛇形流场中采用20%的电极压缩比，实现了151.6 mW cm-2的峰值功率密度，既提升了电极内电解液流速又促进了物质均匀分布。尽管取得这些进展，目前仍缺乏适用于AORFB结构设计的统一框架。 核心内容 图1.动力学依赖性反应分布分析 全钒液流电池（AVRFB）在整个电极体积内保持相对均匀的反应速率，而AORFB则表现出高度局部化的反应区，集中于膜–电极界面附近薄层。定量分析表明AORFB中的有效反应渗透深度仅限于紧邻膜层的1.1 mm狭窄区域，占总电流的88.0%；相比之下，AVRFB的反应区延伸范围超过2.5 mm。显著的空间异质性源于快速电荷转移动力学与电解质传输限制的共同作用。首先，紫精类物质的本征电子转移速率常数（k0=2.8×10-5m s-1）比传统钒基化合物（1.7×10-7m s-1）高出两个数量级。根据Butler-Volmer动力学理论，高活性有机体系仅需约1%的有效比表面积即可维持同等宏观电流强度。其次，AORFBs中使用的中性水基电解质的离子电导率（约115.0 mS cm-1）比多孔碳基质的固相电子电导率（约1000 mS cm-1）低一个数量级。为最大限度降低整体欧姆耗散，反应优先发生在离子传导路径最短的区域。因此，AORFB在有效反应穿透深度远小于物理电极厚度的情况下运行。 通过耗散分析可以看到，与反应相关的耗散主要集中在紧邻膜结构的狭窄区域；相比之下，泵送耗散密度在整个流场域内保持均匀分布。在这几类耗散中，欧姆损失密度数值最大，并贯穿整个电极厚度。在AORFB中，负极和正极的欧姆耗散分别占总功率损失的22.8%和21.7%。综合数据可知反应区因动力学特性导致的空间分布使得电极主体部分的大部分区域未能得到充分利用。在高活性有机体系中，这种冗余体积不仅无法提升反应通量，反而会引发不必要的欧姆耗散和寄生泵送耗散。 图2电极厚度变化的影响 减薄电极厚度可有效缩短冗余的电荷传输路径，从而抑制欧姆耗散并提高电极利用率。具体而言，将厚度从3.0 mm降至0.60 mm时，欧姆耗散从14.2 mW降至5.6 mW（降幅达60.6%）；泵送耗散则从3.68 mW相应地单调下降至0.756 mW（降幅79.5%），降幅几乎与体积变化成正比，归因于压力驱动耗散在流场中的均匀分布。相比之下，浓度损失和活化损失在较大厚度下保持相对稳定，但当电极厚度低于先前确定的反应渗透深度（1.1 mm）时则开始迅速上升。这是因为当物理厚度小于该特征深度时，可用反应表面积不足以维持低过电位下的宏观电流，需要增加局部电流密度，从而加剧活化耗散和传质耗散。尽管存在升高的活化耗散与浓差耗散，但由于欧姆耗散占主导地位，总耗散仍从21.4 mW持续降至11.6 mW；当厚度为0.60 mm时，边际总耗散趋近于零。在此临界厚度下，欧姆耗散与浓度损失达到相近量级，标志着系统从以欧姆效应为主导的状态转变为受耦合传输–动力学限制共同支配的状态。 此外，当电极厚度从3.0 mm减小至0.60 mm时，净放电功率从342.4 mW提升至438.0 mW；而净体积功率密度则从140.5 mW cm-3增至845.5 mW cm-3，体积功率输出实现了502%的提升。 图3实验验证电池性能 […]

第一作者：叶锋 通讯作者：王天虎 通讯单位：华北电力大学 DOI：10.1016/j.est.2026.123167 感谢华北电力大学王天虎团队校稿！ 工作简介 本研究提出并实验制备了一种将具有内在微孔结构的磺化聚合物（sPIM-1）整合到Nafion中的复合膜。通过系统优化sPIM-1负载量，最优配比为7%sPIM-1/Nafion的膜材料实现了卓越的离子选择性（1.95×10⁵ S min cm⁻³，是Nafion的2.87倍），同时保持了较高的质子传导率（210.96 mS cm⁻¹）。由于化学质子传输路径（由-SO₃H介导）与物理质子传输路径（刚性多孔网络）的协同作用，采用该复合膜构建的钒液流电池展现出显著延长的自放电时间（延长率达70.7%）和优异的循环耐久性，在1000次循环后仍保持86.6%的EE，性能远超基于Nafion的体系。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 IEM在VFB中起着关键作用，其功能包括分离电解质、防止钒离子渗透，并选择性允许H+传输以维持电荷平衡。鉴于Nafion膜具有优异的化学稳定性、高质子导电性以及相对较低的钒渗透性，过去几十年间它一直被视为行业标准。然而，该膜材料成本高昂（约占初始投资成本的30%），成为阻碍VFB大规模商业化的主要因素。为提升性能，学界已通过向Nafion基质中添加无机、有机或混合填料对这类膜进行多种改进；这些改性方法利用了Nafion与填料之间的相互作用来增强IEM的性能。 核心内容 1. sPIM-1的结构与形态 图1. PIM-1与sPIM-1的特性分析 FTIR显示原始PIM-1的谱图在2239.85cm-1处显示出特征性的-CN振动峰；相比之下，sPIM-1的谱图在1043.43cm-1处出现额外峰，对应-SO3H基团，表明磺化反应成功完成。在磺化过程中，sPIM-1峰谱中的多个-CN键可水解为酰胺键（-CO），其特征振动峰出现在1687.71cm-1处。然而，2239.85cm-1处的-CN吸收键几乎保持不变，表明只有一小部分-CN经过水解形成酰胺键，而绝大多数在磺化过程中被保留下来。与原始PIM-1相比，sPIM-1表现出更高的硬度、脆性和表面粗糙度。 XPS显示PIM-1中存在C1s（285eV）、N1s（400eV）和O1s（534eV）的特征峰。磺化处理后，sPIM-1在168.7eV处出现新的S2p峰。高分辨率C1s谱图揭示原始PIM-1在284.5eV和286.8eV处呈现两个主要组分，分别对应C–C和C–N键，证实其合成成功；而sPIM-1在288.7eV处出现额外峰，直接证明了–SO₃H基团已成功引入聚合物主链。   2. sPIM-1/Nafion的表征 图2. 扫描电子显微镜（SEM）图像 合成后的膜具有均一性且无相分离现象，表明sPIM-1与Nafion充分融合，显著提升了复合膜的耐久性。EDS显示随着sPIM-1掺杂比例升高，硫含量呈现明显上升趋势，证实了-SO3H基团的逐步引入。水化过程中，-SO3H基团解离释放出可移动H+，而-SO3H基团本身则保持为固定电荷位点；升高的-SO3H浓度为质子解离与交换提供了丰富位点，并显著增强膜的亲水性。随后水分吸收量的增加促使聚合物基质内形成高度连通的水合介导网络。 重量随温度变化关系图显示200°C以下的初始重量损失主要归因于与亲水性-SO3H基团相关的物理吸附水的蒸发。对于原始Nafion膜，约300°C时因侧链上-SO3H基团的分解而出现显著重量损失。与原始Nafion相比，sPIM-1/Nafion复合膜在中温区间（300–380°C）表现出延迟的质量损失，表明对过早热分解的抗性增强。此现象归因于刚性的sPIM-1框架结构及其在Nafion基质中的均匀分布，限制了Nafion链的段落运动性，从而延缓了热诱导分解。在380–500°C温度范围内，复合膜的重量损失速率快于原始Nafion；该现象源于复合材料中sPIM-1与Nafion组分共同发生的热分解作用。然而，当温度超过500°C后，sPIM-1/Nafion复合膜的质量损失速率减缓，而Nafion则持续降解直至其重量在530°C附近稳定，因此在整个热降解过程中复合膜的总质量损失始终低于原始Nafion。结果表明sPIM-1的引入通过延缓热降解的发生并减少加热过程中的总质量损失，从而提高了膜的整体热稳定性。   3. sPIM-1/Nafion的特性 图3. 不同膜的渗透性和离子选择性 与原始Nafion膜相比，所有复合sPIM-1/Nafion膜均表现出降低的VO2+渗透性，其中在sPIM-1负载量为7%时达到最低值。此外，采用7% sPIM-1/Nafion复合材料制备的VFB展现出显著延长的自放电时间，较纯Nafion材料（20.67小时）延长了70.7%，充分证明其优异的抑制钒离子跨膜渗透能力。极化曲线显示复合膜可实现更高的放电电压及264.26mW cm⁻²的最大功率密度，归因于其更低的整体电池电阻。定量分析表明在180mA cm⁻²下，功率密度较纯Nafion材料提升10.9%。结果与较低的钒离子渗透率及较高的库仑效率一致，共同证实sPIM-1的刚性微孔结构在Nafion基质中形成了高效的分子筛结构，在提升离子选择性的同时并未牺牲导电性能。   4.电池性能 图4. Nafion与sPIM-1/Nafion膜的VFB性能 随着电流密度逐渐增加（80–220mA cm-2），含7% sPIM-1/Nafion复合材料的VFB的CE从96.6%提升至98.46%，原因在于单次充放电循环中的完成时间随电流密度增大而缩短，从而降低了钒离子的跨膜渗透率。在电流密度低于140mA cm-2时，VFB的CE与纯Nafion相当；但在160–200mA cm-2范围内则显著提升。相反，由于过电位和欧姆极化效应增强，VE随电流密度升高而下降。与CE类似，在电流密度低于140mA cm-2时，含7% sPIM-1/Nafion的VFB的VE与纯Nafion相近；但当电流密度超过140mA cm-2时，加速的跨膜迁移导致钒离子渗透性增加，加剧了双电极间的浓差极化效应，从而降低VE。此外，当电流密度达到200mA cm-2时，sPIM-1/Nafion复合膜的EE仍保持79.44%，较传统Nafion（74.27%）提升5.17%。总体而言，由含7% sPIM-1/Nafion复合材料组装而成的VFB表现出优异的EE，表明sPIM-1在Nafion基质中的分散作用可同步提升钒离子排斥能力与质子传导性能。 同时，充放电特性曲线显示随着电流密度从80增加到200mA cm−2，Nafion的放电容量从1471.49降低到726.86mAh，而sPIM-1/Nafion仅从1240.8mAh降低到924.2mAh。 图5. 长期循环性能 采用7% sPIM-1/Nafion复合膜的VFB在经历830次循环后仍能维持初始容量的66.1%，优于Nafion单一膜仅36.1%的容量保持率。并且，在长期循环测试中，该复合膜在CE和VE方面均明显优于纯Nafion膜。

第一作者：向维哲 通讯作者：梁振兴、万凯 通讯单位：华南理工大学、中山大学 DOI：10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.129144 感谢华南理工大学梁振兴团队（第一作者：向维哲）校稿！ 工作简介 本研究采用U-Net代理模型和约束进化算法，在离散哈密顿路径设计空间中，对高黏度且黏度随SOC变化的水系有机氧化还原液流电池（AORFB）进行流场拓扑优化。U-Net代理模型基于多物理场仿真数据训练，能够快速预测空间过电位分布并降低候选流场的评估成本；进化搜索则突破了有限结构库筛选的限制，实现了流场拓扑的迭代优化。以FcNCl/(ATBPy)Cl4体系为例，在50% SOC下，优化流场相较于传统蛇形流场使平均反应物浓度提高66.6%、平均过电位降低12.7%、压降降低15.1%、放电电压提高5.54%。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 叉指流场（IFF）和蛇形流场（SFF）等典型流场拓扑已广泛用于改善反应物输运、减少滞流区和缓解极化，并在全钒液流电池（VRFBs）中形成了较成熟的设计方法。然而，在AORFBs中，流场设计还受到有机活性分子的结构所决定的电解质物理化学性质的进一步限制。电解液的黏度及其状态依赖性和活性物质的扩散特性，均由分子间相互作用及浓度依赖的溶液行为共同决定。这些物性与流体动力学控制的界面传质及电化学反应动力学相互耦合，进而影响流动阻力、局部电解液补给，以及反应物传质与电化学反应需求之间的匹配。因此，AORFB的流场性能对具体有机活性物质的物理化学性质更为敏感。其流场优化需要面向特定电解质体系，关键在于构建与电解液物性相匹配、能够持续有效供给反应物的流场拓扑。改善反应物分布仍是核心目标，但最佳拓扑难以直接依据传统低黏度液流电池的流场设计经验确定。 核心内容 图1 整体工作流程示意图 本研究首先利用哈密顿路径生成算法构建随机流场拓扑，并通过三维多物理场仿真获得相应的过电位分布。随后，将流场拓扑栅格化，并与对应的过电位分布配对构建数据集，用于训练U-Net代理模型。在此基础上，以代理模型快速评估候选结构，并结合满足哈密顿路径约束的进化算法，通过持续变异和迭代搜索，在离散拓扑空间中获得性能更优的流场结构。 图2 训练与验证 在在500个训练周期中，模型的训练损失在约200个周期后趋于稳定，验证性能也不再提升，表明模型已基本收敛。模型在验证集上的R2达到96.67%，预测值与模拟值的散点紧密分布在1∶1一致性线附近。训练集和验证集的MAPE累积分布较为接近，其中验证集MAPE中位数为3.70%，90%分位数为4.88%。相近的误差分布表明模型具有良好的泛化能力，未出现明显过拟合。 验证集和独立测试集的可视化结果表明，模型预测的过电位空间分布及其梯度变化均与多物理场模拟结果较为吻合。即使在复杂的流道转折区域，模型也能捕捉局部过电位变化，未出现明显的预测伪影或边界失真。预测结果还能够准确保持流道与肋区的几何边界，说明U-Net可以较好地复现空间过电位分布。这主要得益于跳跃连接对全局特征与局部空间细节的有效融合。 综合R2和MAPE的评估结果，U-Net模型具有较好的预测精度，可作为流场拓扑搜索中的快速评估工具，从而大幅减少候选结构所需的多物理场模拟计算。 图3 进化算法（EA）方案 在搜索初期，将目标分位数设为q=0.8，并采用较大的τearly，使算法更容易保留与父代差异较大的子代，从而扩大拓扑搜索范围。中期采用q=0.5和τmiddle，兼顾较大范围探索与局部优化。后期将目标分位数调整为q=0.2，同时减小τlater，使算法优先选择ρedge接近R*且与父代差异较小的子代，从而集中开展局部优化。随着参数逐步调整，实际获得的ρedge由初期较高且分布较宽，逐渐转变为后期较低且分布更集中，表明搜索过程由广泛探索逐步转向局部优化。 收敛曲线表明，该搜索策略能够有效改善流场拓扑。随机搜索的群体平均过电位在大部分搜索过程中均高于55 mV，搜索期间获得的最优值也仅有小幅改善，说明随机筛选难以高效找到性能较优的拓扑结构。EA搜索在前20代中实现了群体平均过电位和当前最优过电位的快速下降，表明算法能够迅速进入较低过电位的拓扑区域。此后，随着搜索转向局部优化，过电位下降速度逐渐放缓，群体平均值最终稳定在约53 mV。 排名前三的EA方案在30%、50%和70% SOC下的平均过电位均处于52.89–52.97 mV之间，最大差值小于0.1 mV，且拓扑结构高度相似。这说明EA已收敛至包含多个相近优选解的高性能拓扑区域，并在后期通过小幅结构变异进行局部优化。随机搜索获得的最佳方案为55.41 mV，较EA最优方案高约2.5 mV，即约4.5%。由此可见，在高维哈密顿路径设计空间中，EA比无引导随机搜索更容易找到低过电位的流场拓扑。 图4 SFF与EA优化流场的性能 在50% SOC下，EA优化流场在近膜特征截面的更大电化学活性区域内维持了较高的反应物浓度cR，说明其反应物补给能力优于传统SFF。局部极限电流密度Ilim与kmcR成正比。尽管EA优化流场的平均传质系数km略低，但较高的cR占主导作用，使其平均Ilim较SFF提高69.6%。在局部电流密度最高的前10%、5%和1%区域内，EA优化流场的平均I/Ilim均低于SFF，表明其具有更大的局部传质余量，更不易接近传质极限，因此能够维持较低的过电位。。 EA优化流场具有最低的平均过电位和入口压力，分别为42.91 mV和4.71 kPa，较SFF基准方案降低12.7%和15.1%。随机搜索获得的方案虽然也有所改善，但整体性能仍低于EA优化方案，说明EA能够更有效地搜索离散拓扑空间并找到性能较优的流场结构。排名前三的EA方案具有相近的目标值，表明其性能提升具有较好的稳定性，算法最终收敛至一组性能相近的优选拓扑结构。 核心结论 本研究针对高黏度且黏度随SOC变化的水系有机氧化还原液流电池开展流场优化。由于流场性能受到有机电解液物理化学性质的显著影响，传统低黏度液流电池的设计经验难以直接用于确定其最优拓扑。为此，本研究在离散哈密顿路径空间中构建了代理模型辅助的逆向设计框架，结合随机路径生成、三维多物理场仿真、U-Net代理模型和进化搜索，实现了突破有限结构库筛选限制的迭代优化。U-Net代理模型在验证集上的R2达到96.67%，MAPE中位数为3.70%，并将单个候选结构的评估时间由数小时缩短至毫秒量级。在50% SOC和120 mA cm-2下，EA优化流场相较于传统蛇形流场使平均反应物浓度提高66.6%、平均过电位降低12.7%、压降降低15.1%、放电电压提高5.54%。

第一作者：杨弼凱 通讯作者：李海滨 通讯单位：上海交通大学 DOI：10.1016/j.cej.2026.178403 成果简介 商用 Nafion 膜存在制备成本高、钒离子渗透严重、减薄后力学强度不足等固有缺陷，为此本文提出一种融合膨体聚四氟乙烯（ePTFE）骨架增强与聚多巴（PDA）界面亲水改性的双重改性策略，制备厚度减薄的高性能复合膜 PEM–D，刚性 ePTFE 骨架能够抑制膜尺寸溶胀，聚多巴胺表面的酚羟基与氨基可和磺酸基团形成氢键以提升界面结合强度，有效解决传统超薄膜结构易破损的问题，该协同改性手段制备的超薄复合膜相较于厚度 50 μm 的传统商用膜（如 PEM-212），材料成本大幅降低且综合性能更为突出，为新一代质子交换膜研发、推进全钒液流电池规模化商业化应用提供了具备高可行性的技术思路。 感谢上海交通大学李海滨团队（第一作者：杨弼凱）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（YTH-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 背景分析 Nafion 膜存在成本过高、钒离子跨膜渗透严重两大缺陷。为解决上述短板，目前主流改性路线分为有机 – 无机复合改性与表面改性两类有机 – 无机复合改性通过掺杂氨基化聚砜、氧化石墨烯等功能填料抑制膜溶胀、降低钒渗透，但该方案仍以高价 Nafion 为基膜，无法从根源控制成本，且填料掺杂量过高时会大幅牺牲质子电导率；表面改性依靠在膜表面构筑功能阻隔层提升离子选择性，却存在改性层与基底界面结合力差的问题，长周期循环过程中阻隔层易脱落失效。现阶段新型无氟膜虽被视作低成本替代材料，但难以兼顾化学稳定性与质子传导能力，综合性能无法媲美 Nafion 膜，难以实现工业化替代。减薄 Nafion 膜厚度是另一种可行方案，既能减少原料用量、降低欧姆损耗，却也存在难以突破的核心瓶颈：膜厚度降低会加剧钒离子交叉污染、削弱力学强度，极易产生针孔或膜破损，造成电解液互混；同时超薄膜在酸性电解液中尺寸稳定性变差、溶胀程度显著上升，进一步恶化全钒液流电池的循环寿命。 图文解析 1.改性增强膜的具体制备  图1 改性膜的具体制备示意图 首先称取适量去离子水，用测量纸去皮称重适量三氨基甲烷倒入烧杯中。然后将磁石放入烧杯中，放到磁力搅拌器上，搅拌均匀。在室温（25℃）下用一次性滴管，吸取滴定分析NaOH溶液，将PH电极放入烧杯溶液中，缓慢滴入NaOH溶液，待溶液充分反应，直到PH=8.5。.同时用测量纸称取一定量的多巴胺，放入溶液里制备出多巴胺混合溶液。 接下来将ePTFE微孔膜放入乙醇溶液中浸泡3 min，以洗涤表面的灰尘。随后把乙醇润湿的ePTFE微孔膜放入之前所制备的多巴胺溶液中浸泡2h，以实现多巴胺分子在ePTFE骨架表面的聚合。处理完成后将多巴胺亲水处理后的ePTFE微孔膜从多巴胺溶液中取出，并用去离子水清洗数次。实施热处理，即得到沉积有PDA涂层的ePTFE微孔膜。 进行刮涂时首先在玻璃板上涂覆第一层PFSA溶液，然后立即覆盖沉积了PDA涂层的ePTFE微孔膜。待ePTFE微孔膜完全润湿，再在其表面涂覆一层PFSA溶液，根据成膜的预期厚度刮刀间隙。将附有样本的玻璃板转移至烘箱中进行干燥处理和热退火处理. 2.亲水处理时间的确定 本文通过水接触角（WCA）测试表征改性前后ePTFE 骨架的表面亲水性（图3）。未改性原始ePTFE 骨架的水接触角高达142.0°，证明其本身具有强疏水性。经聚多巴胺（PDA）改性后，当处理时间从1 h 延长至2 h，材料接触角显著下降；改性2 h 后，接触角降至104.7°，相较原始样品降幅达37.3°。亲水性提升源于骨架表面沉积的聚多巴胺层，该涂层可引入大量羟基（-OH）、氨基（-NH₂）等极性官能团。但当改性时长超过2 h（如2.25 h、24 h），接触角不再持续降低。其原因在于反应时间过长会造成多巴胺过度聚合、团聚，产生大量絮状沉淀物，最终导致表面改性层分布不均。综上，本实验确定2 h 为最优改性时长。 图2细胞状孔形成机制 3.物理性能评估 图3 (a) 不同隔膜的应力 – 应变曲线；(b) 不同隔膜的拉伸强度；(c) 不同隔膜的阻钒性能测试结果；(d) 全钒液流电池体系下各隔膜的质子电导率。 本文采用单轴拉伸测试系统探究 ePTFE 增强层对 PFSA 膜力学性能的调控规律，重点分析 ePTFE 的增强作用、膜厚对结构稳定性的影响以及聚多巴胺亲水改性的协同强化机制，拉伸结果表明室温下厚改性复合膜拉伸强度达 41.27 MPa，10 μm ePTFE 刚性骨架凭借稳定的碳 – 碳、碳 – 氟共价键提供机械支撑，同时聚多巴胺涂层通过羟基、氨基与磺酸基形成氢键，强化骨架与基体界面结合，弥补超薄商用膜力学薄弱的短板；钒渗透测试结果显示改性复合膜拥有最优阻钒效果，48 h 渗透侧钒离子浓度仅为未改性同等厚度膜的 32.34%，刚性 ePTFE 网络抑制膜溶胀、截断亲水连续通道，聚多巴胺修饰调控离子通道结构并延长钒离子迁移路径，且自身抗氧化性维持膜结构稳定，无复合增强结构的212均质膜因离子通道连通、长期运行结构劣化而钒阻隔性能较差；质子传导与面比电阻测试表明，惰性 ePTFE 骨架会降低改性膜的本征质子电导率，但聚多巴胺亲水基团优化膜水化抵消了部分电导损失，加之整体膜厚减半，使改性膜的面比电阻与212商业膜接近，可保障电池较低的欧姆极化损耗，综合来看，ePTFE 骨架与聚多巴胺界面改性的协同策略同步提升了隔膜力学强度与钒离子阻隔能力，本文推出的改性膜是适配全钒液流电池实际工况的高性能质子交换膜。 4.电化学性能评估 图4a.b.c 分别记录四种隔膜组装的全钒液流单电池在固定电流密度下长循环测试的库仑效率、电压效率与能量效率，出现严重性能衰减或大幅数据波动即停止采集数据，厚度更薄的改性膜耐久性能显著优于参比膜，直至循环末期才出现性能下滑，循环稳定性近乎翻倍，其库仑效率全程维持在较高水平，整体波动极小，而力学强度不足的其余参比膜在长循环中膜损伤不断累积，部分样品循环中期便出现膜体严重劣化、数据剧烈波动，还有均质隔膜因隔膜破损引发电解液互渗与自放电，库仑效率出现异常偏高的现象，超薄商用参比膜的库仑效率则在短周期内快速大幅衰减，实验定期补充分混电解液以消除体积带来的浓度测量误差；循环全程改性膜的电压效率持续优于两款对比隔膜，稳定性能最佳，钒离子跨膜渗透会造成电解液浓度失衡、加剧浓差极化并增大电压损耗，而刚性增强骨架抑制膜溶胀、聚多巴胺亲水改性优化界面相容性，赋予改性膜长效阻钒能力，大幅削弱浓差极化与自放电的负面影响；能量效率测试结果显示改性膜初始数值显著高于其余三种隔膜，减薄商用参比膜在循环前期能量效率便大幅跌落，两款厚型对比隔膜在循环中期能量效率明显下滑且伴随膜严重破损，改性膜可维持较高能量效率至循环后期，仅在长期运行后因累积损耗出现缓慢下降，稳定性远优于参比样品，该超薄复合膜优异的长循环表现来源于刚性增强骨架与聚多巴胺改性的协同效应，刚性网络抑制循环过程中膜溶胀变形，氢键结合的多巴胺层强化界面相容性并抵御钒电解液氧化腐蚀，有效缓解膜结构持续劣化、降低钒离子穿透，弥补超薄隔膜的结构缺陷，证明这套亲水改性增强技术制备的超薄改性膜综合性能超越厚型商用隔膜，在全钒液流电池中具备优异的力学、电化学稳定性与更长服役寿命。 图4 四种不同隔膜组装的全钒液流单电池在高电流密度下、400 圈长周期循环性能：(a) 库仑效率，(b) 电压效率，(c) 能量效率。 核心结论 本研究将经聚多巴胺改性的膨体聚四氟乙烯骨架引入全氟磺酸基体，成功制备出厚度减薄的新一代增强型复合隔膜，用以替代 50 μm 商用隔膜；其中膨体聚四氟乙烯增强相可构筑刚性支撑网络，有效抑制隔膜尺寸溶胀，而聚多巴胺涂层具备多重功能，既可作为物理屏障隔绝强氧化性钒离子与活性自由基对隔膜基体的侵蚀，避免碳氟键断裂、磺酸基团流失，其含有的大量酚羟基与氨基还能和全氟磺酸基体的磺酸基团形成分子间氢键，提升界面结合强度，防止隔膜在反复溶胀 – 收缩循环中发生分层剥离，同时该改性层能够抑制钒氧化物在膜表面吸附堆积，优化整体界面相容性，保障电池长期稳定运行；测试结果表明，改性膜仅消耗一半用量的全氟磺酸树脂，力学性能与电化学稳定性却优于厚度 50 μm 的纯全氟磺酸隔膜，该体系以低成本膨体聚四氟乙烯基底与微量聚多巴胺替代半数高价全氟磺酸原料，相较 50 μm 商用基准隔膜大幅降低原材料成本，在所有测试样品中拥有最低的钒离子渗透率与优异的力学稳定性，长循环测试过程中可维持更高的库仑效率、电压效率与能量效率，这种结合膨体聚四氟乙烯骨架增强与聚多巴胺界面亲水改性的复合改性策略，为研发适用于大规模储能、长寿命、低成本质子交换膜提供了极具应用前景的技术路线。

第一作者：王峄杰 通讯作者：黄康 通讯单位：南京工业大学 DOI：10.1016/j.ces.2026.124431 感谢南京工业大学黄康团队（第一作者：王峄杰）校稿！ 工作简介 本文提出了一种针对ZIF-8的亚分钟级电化学沉积–碳化策略，可在碳毡表面快速构筑具有层级多孔结构、缺陷丰富的碳架构，从而优化碳毡电极的电子结构并提升其对钒氧化还原反应的催化活性。通过超快电化学沉积法制备的ZIF-8前驱体在后续热碳化过程中会发生配体分解和金属节点去除，形成相互连接的介孔结构，促进电解质渗透与传输，同时引入高密度拓扑缺陷及费米能级附近具有高电子态的不饱和碳位点。所得碳架构可通过可扩展的单步电化学路线均匀锚定于碳纤维上，兼具结构稳定性以及丰富且易于获取的活性位点，从而加速关键的VO2+/VO2+和V3+/V2+氧化还原反应。采用ZIF-8衍生碳电极的钒液流电池（VFB）在160mA cm⁻²和200mA cm⁻²时分别展现出82.7%和79.3%的EE，并在200mA cm⁻²下经500次循环仍保持优异的循环稳定性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 作为钒液流电池（VFB）的核心组件之一，电极是阳极液与阴极液氧化还原反应的发生场所，直接决定着电池的效率和功率密度。碳毡因成本低廉、导电性优异且化学稳定性高，在VFB中得到广泛应用。然而，固有的催化活性和电化学活性较差，限制了电池的功率输出，成为阻碍VFB广泛应用的主要障碍。 核心内容 1.材料结构表征 图1不同电极SEM和结构特点 原始CF呈现规则的圆柱状结构且表面光滑；而沉积处理后的CF-50–30表面则均匀覆盖着大量边界清晰的多面体颗粒。通过CF-50–30高温热解制备的PCF-50–30的碳化过程促使ZIF-8在碳毡表面发生形态演变，典型的明确多面体结构转变为更光滑的颗粒及不规则团簇结构。FT-IR光谱显示原始CF仅显示微弱的红外吸收峰，表明表面化学官能团极少，主要由非晶态或石墨状碳构成；而且，在氩气氛围下于800°C煅烧后，CF的FT-IR光谱未出现明显变化。作为对照，空气环境中800°C煅烧的碳毡其FT-IR光谱则呈现显著变化，证实氧化气氛下的高温处理会改变碳毡的表面化学组成。 XRD分析结果证实了ZIF-8已完全碳化。CF-50–30样品在2θ≈12.8°处的衍射峰可归属于ZIF-8的(112)晶面。然而，与ZIF-8相关的衍射峰在煅烧后消失，表明ZIF-8骨架在热碳化过程中被破坏并有效转化为ZIF-8衍生碳。拉曼光谱图显示对于PCF-50–30样品，在沉积ZIF-8并进行高温碳化后，其ID/IG略有上升，表明材料的结构有序性有所降低而缺陷密度增加。BET显示CF的吸附容量相对较低，而PCF-50–30则表现出显著更高的吸附容量，并伴有明显的滞后环。ZIF-8衍生碳电极的孔径分布显示CF的孔隙分布较为稀疏，而PCF-50–30的孔隙数量显著增加，孔道尺寸介于3至4纳米之间。上述结果表明ZIF-8沉积后经碳化处理可在碳毡表面形成大量介孔，主要归因于碳化过程中ZIF-8中有机配体的分解释放气体，从而促进了新孔结构的形成。   2.电化学性能及作用机制验证 图2不同电极的电化学性质 与CF相比，PCF-50–30在VO2+/VO2+和V3+/V2+中均表现出更高的峰值电流密度和更小的峰间电压差（ΔE）。在VO2+/VO2+体系中，PCF-50–30的峰值电流密度分别为101.41mA cm-2和-133.11mA cm-2，均高于CF电极的数值。在V3+/V2+体系中观察到与CF材料（分别为91.52mA cm-2和-116.57mA cm-2）相比，PCF-50–30的峰值电流密度分别达到112.13mA cm-2和-147.48mA cm-2。V3+/V2+电解质中更高的峰值电流密度与PCF-50–30富含缺陷的碳结构密切相关，增加的缺陷密度和未饱和碳位点为钒氧化还原反应提供了更多电化学可及的活性中心。此外，碳化过程中形成的未饱和碳位点有助于界面电子转移并提升钒离子吸附能力；而介孔结构与增大表面积则促进了电解质渗透和离子传输。同时，EIS结果进一步证实了PCF-50–30优异的电子传输和离子扩散能力。 此外，LSV评估电极上的析氢反应（HER）：在−10mA cm⁻²下，PCF-50–30电极的HER起始电位为−0.78V，CF电极为−0.57V。超过100mV的负偏移明显表明ZIF-8衍生碳电极对HER的抑制效果显著增强。 图3电极材料的密度泛函理论（DFT）计算结果 对于VO2+的吸附，ZIF-8衍生碳电极的吸附能为1.69eV，而未改性电极仅为0.31eV；对于VO2+的吸附，ZIF-8衍生碳电极的吸附能为1.62eV，远高于未改性电极的1.34eV。吸附能的升高可归因于富缺陷碳骨架提供了更多不饱和配位位点以及与钒物种更强的电子相互作用。态密度分析表明，与未改性的碳毡相比，ZIF-8衍生碳电极在费米能级（0eV）处表现出显著更高的态密度，表明本征电子导电性增强。并且，缺陷工程材料在费米能级附近表现出显著升高的态密度。总体而言，态密度分析证实ZIF-8改性引入的结构缺陷有效提升了电极的电子态密度，从而促进电子传输并改善电催化反应动力学。   4.VFB电池性能 图4不同电极的电池性能 与CF相比，配备PCF-50-30的电池在40-240mA cm-2内始终表现出更高的库伦效率（CE），反映出电化学可逆性增强和副反应减少。在电压效率（VE）方面，PCF-50–30展现出显著优势。在电流密度为40mA cm⁻²时，VE达到95.8%，而CF电极仅为92.2%。随着电流密度增加，PCF-50–30的VE在200mA cm⁻²时仍保持高达80.4%，而CF电极的VE则降至约68.6%。因此，在整个电流密度范围内，PCF-50–30均表现出持续高于CF电极的能量效率（EE），归因于PCF-50–30优异的电子导电性及增强的氧化还原反应动力学特性。 此外，PCF-50–30在200mA cm⁻²下可提供261mAh的放电容量，显著高于CF的194mAh，表明ZIF-8衍生多孔结构能更高效地利用电活性物质并改善氧化还原动力学。长循环测试显示在200mA cm⁻²下，PCF-50–30在500次循环中保持约80%的EE，未出现明显性能衰减，性能优于CF电极。 核心结论 本文通过将ZIF-8以超快速、高精度的方式电化学沉积于碳毡表面，随后进行高温碳化处理成功制备了基于ZIF-8的碳电极。与碳毡电极相比，ZIF-8衍生的碳电极在比表面积和分级孔结构方面表现出显著改善，协同增强了电极润湿性并加速了电解质扩散。在电化学性能评估中，ZIF-8衍生碳电极展现出显著提升的电催化活性和加速的氧化还原反应动力学。此外，密度泛函理论计算进一步验证了该电极优异的催化性能。在VFB性能测试中，ZIF-8衍生碳电极在200mA cm⁻²下实现了79.3%的EE；经过500次循环后仍保持稳定的EE，充分体现了其卓越的循环稳定性。

第一作者：邱伟 通讯作者：徐春明，周天航，牛迎春 通讯单位：中国石油大学 DOI：10.1021/acs.iecr.6c01513 感谢中国石油大学徐春明院士团队（第一作者：邱伟）校稿！ 工作简介 本研究基于密度泛函理论（DFT）开发了一套全面的筛选策略以识别高效金属催化剂。根据吸附能、电子转移效率及抑制HER的能力，系统评估了12种金属。理论计算表明W(W)因与Cr(H2O)₅Cl₂⁺的强相互作用及有效抑制HER的能力而成为最优候选材料。基于预测，使用W改性碳布（WCC）电极组装的单电池在140mA/cm²下实现了83%的EE，并在300次循环中每循环EE衰减率仅为0.0117%。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 ICRFBs中的Cr²⁺/Cr³⁺表现出较差的电化学活性，且该体系易发生HER，严重阻碍了电池性能与寿命的进一步提升。因此，亟需开发有效的调控策略以优化Cr²⁺/Cr³⁺电对的反应动力学、抑制HER反应，并最终提升ICRFBs的整体性能。 核心内容 1.基于密度泛函理论筛选的金属催化剂 图1.筛选催化剂 对元素周期表中的所有金属元素进行了初步筛选，最终选定了12种极具应用潜力的金属元素：Ti、Mn、Co、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、W、Pb和Bi。Cr(H2O)₅Cl₂⁺在不同金属表面及石墨烯表面的吸附能与吸附距离显示Cr(H2O)₅Cl₂⁺在原始碳布电极表面的吸附能为−5.91eV。所有12种选定的金属表面均比石墨烯表现出更强的Cr(H2O)₅Cl₂⁺吸附能力。Cr(H2O)₅Cl₂⁺在Nb和W表面的吸附能分别为−17.36eV和−16.28eV，显著高于石墨烯上的−5.91eV；相反，其在Sn和Y表面的吸附能则低于Nb和W。与石墨烯相比，Cr(H2O)₅Cl₂⁺在大多数金属表面均呈现更优的吸附距离，其中W和Nb的表现尤为突出。 Bader电荷计算分析表明原始碳与Cr(H2O)5Cl2+之间存在有限的电子转移。W和Nb金属表面在向Cr(H2O)5Cl2+进行电子转移的过程中涉及更多电子，体现在微分电荷密度图中更显著的颜色差异及更大的电子密度变化幅度，表明W和Nb金属表面与活性材料之间存在更广泛的电子转移，从而显著提升了电子转移效率。相比之下，Sn和Y金属表面的电子转移仅发生在靠近Cr(H2O)₅Cl₂⁺区域的局部区域。与W和Nb的差分电荷密度图相比，Sn和Y表面的电子密度变化较小，表明金属表面与活性材料之间的电子转移相对较少。总电子转移次数显示Nb和W金属表面的总电子转移次数分别为2.39e和2.07e，约为石墨烯表面值（0.74e）的三倍，表明电极材料表面与Cr(H2O)₅Cl₂⁺之间的电子转移效率显著提高。相反，Sn和Y金属表面的电子转移效应较弱。此外，金属表面原子提供的电子导致金属表面产生正电荷，增强了Cr(H2O)₅Cl₂⁺的吸附作用，从而有望促进体系内氧化还原反应的进行。 态密度计算显示Cr(H2O)₅Cl₂⁺在吸附于W和Nb金属表面时，d带中心分别移至1.26eV和0.94eV，更接近费米能级。因此，Cr(H2O)₅Cl₂⁺更易在W和Nb金属表面发生电子转移，表现出更高的表面活性。投影态密度（PDOS）计算显示Cr-3d轨道密度与W-5p轨道密度存在显著重叠，而与C-2p及Nb-4p轨道的重叠相对较小。Cr的3d轨道与W的5p轨道之间的强杂化可增强电荷传输效率，从而促进Cr²⁺/Cr³⁺在W金属表面发生的氧化还原反应中的电荷转移。 此外，吉布斯自由能计算结果揭示W金属表面的氢吸附自由能（-1.59eV）低于石墨烯表面（-1.02eV）。W表面更负的氢吸附自由能表明其氢吸附能力更强，使得H*解吸步骤更为困难，从而从动力学角度抑制了整体HER反应速率。相比之下，Nb金属表面上的氢吸附自由能最接近于零，表明热力学上有利的H*吸附/解吸。尽管Nb金属在Cr²⁺/Cr³⁺氧化还原反应中表现出优异的催化性能，但其抑制HER的效果较差。   2结构与形态特征分析 图2.不同电极的微观结构 SEM图像显示原始碳布（CC）具有光滑完整的纤维表面，热处理碳布（TCC）表面出现大量分布不均的碳缺陷孔；而改性碳布（WCC）不仅保留了热处理引入的缺陷结构，还呈现大量不规则颗粒状沉积物，证实催化剂已成功负载于电极表面。元素分布图显示WCC样品中O和W与主要元素C均匀分布，表明W基物种在碳布上实现了均一负载。HRTEM图像显示晶格间距分别为0.366纳米和0.393纳米，分别对应WO3的(001)和(110)晶面。相应的选区电子衍射图谱进一步证实衍射环分别对应WO3的(001)、(002)和(110)晶面。 图3不同电极的结构和性质 WCC电极的等温线显示其氮气吸附容量显著高于CC电极，表明负载W后比表面积大幅增加。拉曼光谱分析表明WCC电极的ID/IG比值相较于CC电极略有升高，表明缺陷密度增加且石墨化程度略微降低。缺陷密度的增加促进了电解质物种额外活性位点的生成。XRD显示WCC电极的衍射谱中显示出明显的衍射峰，与WO3的衍射峰具有优异的结构匹配性，证实了碳布电极上W金属的成功改性。 接触角测试显示CC、TCC和WCC电极的接触角分别为132.21°、67.15°和0°。CC电极表现出较差的亲水性，水滴会在其表面长时间滞留；TCC电极经高温处理后亲水性显著提升；而WCC电极的接触角低于CC和TCC电极，表明其亲水性得到明显增强。   3.电化学性能分析 图4电极的电化学性能 CV测试结果表明TCC电极与WCC电极均比原始CC电极表现出更高的活性。电极表面掺杂的W催化剂为Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原反应提供了更大的有效比表面积，从而提高了峰值电流。同时，LSV测试表明WCC电极的析氢电位呈负向偏移，表明W金属催化剂对HER的抑制作用显著增强。此外，EIS测试显示与CC和TCC电极相比，WCC电极表现出最小的奈奎斯特半圆直径，对应最低的电荷转移电阻。   4.单电池性能测试 在第一个循环中，WCC电极表现出最高的EE和VE，分别达到83%和83.69%，显著高于CC电极和TCC电极。经过60次充放电循环后，WCC电极的EE和VE基本保持稳定，而CC和TCC电极的EE与VE均出现明显下降。此外，WCC电极的CE显著高于CC和TCC电极，并在整个循环过程中保持稳定；相比之下，CC电极的CE在后期循环阶段呈现明显波动，表明稳定性随循环次数增加而下降。 在不同电流密度下，WCC电极始终表现出最高的EE、VE和CE，展现出优异的充放电性能。即使先以200mA/cm²电流循环，再以80mA/cm²电流循环后，WCC电极仍能完全恢复其初始的EE、VE和CE，表明具有出色的循环稳定性。长期循环测试显示经过300次循环后CE基本保持稳定，充分证明了WCC电极卓越的循环稳定性；VE和EE仅出现轻微下降（EE从83%降至79.49%，相当于每循环损失0.0117%），而容量保持率在300次循环后仍维持在5.468%（每循环容量衰减仅为0.315%）。 核心结论 本研究建立了一种DFT框架，用于筛选和预测12种金属元素在ICRFB应用中的催化潜力。对吸附能、电子结构及HER动力学的系统性理论分析表明，在所筛选的12种金属中，W展现出最佳的Cr²⁺/Cr³⁺催化性能与HER抑制效果。与原始石墨烯相比，W对Cr(H2O)₅Cl₂⁺表现出显著更高的吸附能和更短的吸附距离。此外，Bader电荷计算和态密度（DOS）计算表明W表面通过Cr 3d轨道与W 5p轨道之间的强轨道杂化促进了高效的电子转移。此外，WCC电极表现出增强的亲水性及显著增加的比表面积，共同改善了Cr²⁺/Cr³⁺反应动力学。在单电池测试中，采用WCC组装的ICRFB在140 mA/cm²下实现了83%的EE，并在300次循环中表现出极低的衰减速率（每循环0.0117%）。结果证实了W改性的优异催化性能，并为大规模储能应用中高性能催化剂的合理设计提供了坚实的理论与实验基础。

第一作者：王千禧 通讯作者：刘雅静&崔香 通讯单位：青海师范大学 成果简介 本研究针对中性锌基液流电池中锌负极 Zn2+/Zn 可逆性差、枝晶生长和析氢副反应等问题，提出了一种 D-天冬氨酸（D-Asp）电解液添加剂调控策略。通过将低成本 D-Asp 引入中性ZnCl2-KCl电解液中，利用其羧基和氨基的协同作用重构 Zn2+溶剂化结构，降低水分子配位比例，并实现对锌沉积界面的选择性吸附。基于机理发现，本文提出了一种两性离子配位策略以抑制枝晶。应用于中性锌铁液流电池后，电池在10 mAh cm-2下稳定循环 473 圈，在20 mAh cm-2 下运行 192 圈，平均库仑效率达99.81%，并获得70.64% 的能量效率。 感谢青海师范大学刘雅静团队（第一作者：王千禧）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（YTH-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 背景分析 随着新能源发电比例不断提高，发展安全、低成本、长寿命的大规模储能技术成为支撑可再生能源稳定并网的重要需求。中性锌基液流电池因锌资源丰富、价格低廉、安全环保且理论容量高，被认为是具有应用潜力的新型储能体系。然而，在中性水系电解液中，锌负极仍面临 Zn2+/Zn 沉积剥离可逆性差、枝晶生长、析氢副反应和界面失稳等问题，严重限制了电池的循环寿命和高面容量运行能力。现有研究主要通过电极结构调控、膜材料设计和电解液优化等方式改善锌沉积行为，但在成本、工艺复杂性和长期稳定性方面仍存在不足。因此，开发简单、低成本且具有分子级调控能力的电解液添加剂，对于提升中性锌基液流电池的稳定运行性能具有重要意义。 图文解析 1.D-Asp促进GE (ZnCl2–KCl)电解液中锌沉积与剥离 图1.D-Asp调控电解液电化学行为 本研究首先考察了D-Asp在水溶液中的存在状态及其对GE电解液中Zn2+/Zn 电化学行为的影响。结果表明，D-Asp在去离子水中溶解性较差，而加入等摩尔ZnCl2并轻微加热后可形成透明溶液，说明Zn2+与D-Asp之间存在明显配位作用。Raman光谱中Zn–Cl振动峰和D-Asp特征峰的偏移进一步证明了该相互作用，并表明D-Asp 可改变Zn2+的化学环境。电化学测试显示，0.09 M D-Asp可显著提升Zn2+/Zn沉积/剥离可逆性，使峰电位差由0.318 V降低至0.26 V，峰电流比接近1，并提高界面离子传输能力。同时，D-Asp使析氢电位负移、腐蚀电流降低、腐蚀电位正移，表明其能够有效抑制析氢和腐蚀反应。CA测试中稳定的电流响应进一步说明D-Asp有助于维持持续均匀成核过程，从而抑制锌枝晶生长。 2.D-Asp诱导石墨毡表面锌均匀沉积 图2.表征揭示D-Asp调控 为阐明D-Asp 对锌电沉积行为的调控作用，本研究采用SEM、XPS和XRD对不同电解液中沉积后的锌负极进行表征。SEM结果显示，在原始GE电解液中，锌沉积过程中易形成粗大的晶核和团聚状沉积物，沉积层疏松且伴随苔藓状结构；而在GE-D-Asp 电解液中，锌能够均匀、致密地沉积在石墨毡纤维表面，形成细小且分布均匀的成核中心，并在不同面容量下均保持稳定的致密形貌。XPS分析表明，D-Asp可通过氨基和羧基吸附于锌表面，增强界面结合并减少锌与水分子的直接接触，从而抑制副反应。XRD结果进一步证明，D-Asp可提高沉积锌中Zn(002)晶面的取向比例，诱导锌沿有利晶向生长，抑制横向无序沉积。综上，D-Asp通过界面吸附和晶面取向调控，促进均匀、致密、无枝晶的锌沉积，并有助于提升锌沉积/剥离的长期稳定性。 3.D-Asp调控锌离子溶剂化结构 图3.Zn2+与D-Asp的配位结构 为揭示D-Asp对Zn沉积/剥离行为的调控机制，本研究系统考察了电解液中Zn2+与D-Asp的相互作用。XPS结果显示，加入ZnCl2后，D-Asp中羧基氧和氨基氮的结合能发生明显正移，说明其均可能参与Zn2+配位。DFT 计算进一步表明，Zn2+与D-Asp的结合强于Zn2+与H2O 的相互作用，说明 D-Asp能够部分取代Zn2+溶剂化鞘层中的水分子，其中羧基是主要配位位点。FTIR结果显示，羧酸根不对称和对称伸缩振动峰发生明显偏移，而氨基峰变化较小，进一步证明Zn2+主要与羧基配位，且Δν大于200 cm-1，表明其以单齿配位方式结合。ESI-HRMS和1H NMR 结果进一步证实了Zn2+-D-Asp配合物的形成。Raman分析表明，D-Asp的加入降低了强氢键水比例，提高了弱氢键和非氢键水比例，说明其可调控Zn2+溶剂化结构并释放部分配位水分子，从而降低水分解倾向，抑制析氢反应，并促进高可逆Zn沉积/剥离。 4.D-Asp促进高稳定性Zn沉积与剥离循环 为评估D-Asp对Zn沉积/剥离循环稳定性的影响，本研究组装Zn||Zn对称液流电池。结果表明，采用GE-D-Asp负极电解液的电池在60 mA cm-2、5 mAh cm-2条件下可稳定运行超过1000圈（167 h），并保持稳定的充放电电压；而原始GE电解液电池不足350 圈即出现极化急剧增大和电压波动。首圈充放电结果显示，GE-D-Asp电解液中的锌成核过电位提高至78.8 mV，高于GE的61.5 mV，有利于形成更细小均匀的锌晶核。此外，在40–70 mA cm-2的倍率测试中，GE-D-Asp电池均表现出更低极化，说明D-Asp能够显著提升Zn沉积与剥离的循环稳定性。 图4.锌锌对称电池测试 5.D-Asp助力高性能中性锌铁液流电池 图5.全电池测试 本研究进一步评估了GE-D-Asp负极电解液在中性锌铁液流电池中的应用性能。结果表明，采用原始GE电解液的电池在10 mAh cm-2条件下循环约80圈后效率明显衰减，主要源于锌沉积不均匀；而采用GE-D-Asp的电池可稳定运行473圈。静置测试显示，GE-D-Asp电池在充满电后静置12 h仍可保持95.29%的容量，明显优于GE电池的61.94%，说明其具有更好的抗自放电能力。倍率测试进一步表明，GE-D-Asp电池在60 mA cm-2下可获得 66.45%的能量效率。即使在20 mAh cm-2高面容量下，GE-D-Asp电池仍可稳定循环超过190圈，平均库仑效率达99.81%。此外，该电池在26

第一作者：张慧萍 通讯作者：宋芃，安全福 通讯单位：北京工业大学 成果简介 先进的储能技术对于建立以可再生能源为中心的新电力系统至关重要。为了应对间歇性这一关键挑战，氧化还原液流电池（RFBs）对于实现稳定可靠的电力系统至关重要。本研究，北京工业大学安全福团队通过直接磺化法制备了磺化氧化石墨烯（SGO），并制备了SPIK/SGO复合膜，以提高水系有机氧化还原液流电池（AORFB）的电池效率。SGO中引入的磺酸基团（–SO3H）和含氧官能团（–OH）增强了膜的亲水性和保水能力，降低了离子传输势垒。同时，均匀分散在聚合物中的SGO形成了二维片层屏障，延长了氧化还原物质的扩散路径，降低了渗透速率。与Nafion 115和原始SPIK膜相比，SPIK/SGO-4膜具有更高的K+电导率（72.60 mS cm-1）和更低的渗透率。在AORFB中，使用SPIK/SGO-4膜在60 mA cm-2电流密度下获得了99.67%的库仑效率（CE）和78.24%的能量效率（EE），其EE优于原始SPIK膜（75.40%）和Nafion 115膜（65.73%）。该电池表现出优异的循环稳定性，可维持超过1000次循环，每次循环容量衰减仅为0.0243%。 相关成果以“Enhancing aqueous organic redox flow battery (AORFB) performance with sulfonated poly(indole ketone)/sulfonated graphene oxide (SPIK/SGO) composite membranes”为题发表在Journal of Industrial and Engineering Chemistry期刊上。 感谢北京工业大学安全福团队（第一作者：张慧萍）供稿！ 本文所用 螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 背景分析 风光发电的间歇性与波动性对电网的稳定运行构成了严峻挑战，开发大规模先进储能技术成为构建新型电力系统的核心支撑。水性有机液流电池（AORFB）因采用低成本、结构可调的有机活性分子备受关注，而离子交换膜作为核心部件，其离子传导与活性物质阻隔能力的协同水平直接决定电池性能。当前商业化全氟磺酸膜成本高、选择性不足，非氟磺化烃类膜则面临“高传导伴随高溶胀”的权衡困境，亟需优化改性。 氧化石墨烯（GO）因其机械强度高、环境友好、成本低等特点在复合膜领域受到广泛关注。此外，GO具有优异的亲水性和丰富的官能团（–OH，–COOH）的可调结构。膜内高纵横比的GO片不仅阻碍了活性物质的扩散，也阻碍了离子的传递。GO与多组分共价杂化结构存在合成复杂、规模化难度大的局限。因此，基于GO与磺酸基团（–SO3H）之间的高相容性，通过直接磺化法制备磺化氧化石墨烯（SGO），引入高效离子传导位点的同时增强Donnan排斥效应，且工艺简单、与聚合物相容性好。 在本研究中，采用硫酸（H2SO4）的简单磺化法制备了SGO。利用SPIK/SGO复合膜来改善AORFBs的性能。对合成的SGO及其对应的SPIK/SGO复合膜进行了结构表征，并分析了SPIK/SGO复合膜的离子电导率、机械强度、吸水率（WU）、溶胀度（SR）、离子电导率（IEC）和离子渗透性等性能。随后，将采用SPIK/SGO复合膜组装的AORFBs性能与SPIK和Nafion 115进行比较。最后，通过60 mA cm-2下的稳定性测试进一步验证了复合膜的整体性能。 图文解析 1.SGO及SPIK/SGO-x的制备与表征 采用溶液浇铸法制备一系列SPIK/SGO-x复合膜，其中x表示SGO质量比（×10-3）。首先将2 mg SGO分散于3 mL DMSO中，100 W超声1.5 h；同时将0.5 g

第一作者：贾潮洋 通讯作者：李先锋、鲁文静 通讯单位：中国科学院大连化学物理研究所 DOI：10.1093/nsr/nwag306 感谢大连化物所李先锋团队（第一作者：贾潮洋）校稿！ 工作简介 非溶剂诱导相分离（NIPS）技术应用于聚合物多孔膜制备已逾60年，但多变量耦合导致其成孔机制仍不明确。传统理论将大孔洞（Macrovoids）、细胞状孔（Cellular pores）的形成分别归因为瞬时与延迟相分离。本研究借助自研的NIPS观测装置调控流体参数，成功解耦两类孔结构的形成过程，证实大孔洞由流体动力学失稳驱动，细胞状孔则源于成核–生长过程。通过建立非溶剂热力学性质与细胞状孔面密度的定量关系，本研究实现了膜结构的优化设计，显著提升了全钒液流电池（VFBs）的应用性能。该成果完善拓展了相分离理论，为膜材料的精准设计奠定了理论基础。。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 非溶剂诱导相分离方法由Loeb和Sourirajan于20世纪60年代偶然发现。该方法是指将聚合物溶液浸入非溶剂浴中，通过诱导体系发生相分离并固化，最终形成多孔膜。这类薄膜通常呈现两种典型微观形貌：一种是大孔洞与细胞状孔共存，另一种则仅由细胞状孔构成。传统观点认为，两种形貌差异源于不同的相分离模式：瞬时分相会在膜基体内部形成大孔洞，延迟分相则只生成细胞状孔。研究人员虽可通过筛选溶剂–非溶剂组合、调控聚合物浓度等参数，对膜微观结构进行经验性调控，但目前学界尚未形成统一理论，难以清晰阐释各类孔结构的形成机理。 核心内容 1.大孔洞形成机制  图1 NIPS中的大孔洞形成机制 NIPS膜中典型的指状大孔洞与流体力学领域的粘性指进现象形貌高度相似。研究参考Hele-Shaw流体装置优化设计了NIPS原位观测池，并搭配显微镜开展实时观测，观测结果与实际膜样品的截面形貌高度吻合。实验表明，生长中的指状大孔洞会受基底阻挡，逐步转变为梨形结构；通过调节观测装置的缝隙宽度，可改变非溶剂的流动速度与冲击强度，进而直接控制大孔洞的生成，初步证实大孔洞的形成与流体力学因素密切相关。 为进一步验证该结论，结合光学显微、荧光显微与染色示踪等开展系列实验。结果显示，大孔洞从两相界面向聚合物溶液内部逐步生长，其内部存在明显对流效应，可加速传质过程；同时，溶剂体系种类、铸膜液浓度也会对大孔洞的形成产生影响。系列实验相互印证，最终明确大孔洞的形成由流体力学行为主导。 图2.大孔洞形成机制 借助Saffman–Tayor不稳定性理论阐释大孔洞的形成机制，以界面波放大率（σ）作为界面稳定性判据，明确流体黏度、流速及界面张力等参数会直接影响界面失稳程度与大孔洞生成。该机理在多种体系中均得到验证，各类流体失稳现象共同证明大孔洞由流体行为主导。但由于NIPS是多相多组分的复杂体系，面向两相不互溶体系的经典Saffman–Tayor不稳定性理论存在局限，还需要考虑体系内对流、热毛细效应等其他不稳定性（对流）的影响。根据该理论体系，解释了预掺非溶剂、提高铸膜液黏度及表层预固化等现有抑孔策略的作用机制，并明确基于流体力学框架对大孔洞演化行为的描述效果比经典热力学理论明显更适合。   2.细胞状孔形成机制 细胞状孔广泛存在于各类相分离膜中，据此可推断其为相分离过程产生的本征结构。本研究基于浊点测试和DFT结果，将所选非溶剂分为两类：I类包括水、丙酮、乙醇和异丙醇；II类包括环己烷和正己烷。依据经典成核理论，阐释了细胞状孔的形成规律：体系界面张力越高，孔的成核与生长越难以进行。研究通过非溶剂–聚合物、非溶剂–聚合物–溶剂的相互作用能，近似表征聚合物贫相与聚合物富相之间的界面张力。相较于I型非溶剂体系，II型体系的相互作用能更高，成核过程需要克服更大的界面能，因此细胞状孔成核密度更低；同时II型体系中聚合物固化速率更慢，最终形成孔径更大的细胞状孔。 图3细胞状孔形成机制 细胞状孔的尺寸主要由相界面交换速率与聚合物固化速率决定，而其面密度则更多受热力学因素调控。实验发现，通过热力学循环方法估算的NIPS过程的能量变化（ΔENIPS）与细胞状孔面密度的相关性较弱（R2=0.283），偏差主要来源于水体系的数据偏离。考虑到孔面密度还与空间几何因素相关，引入分子体积Vm，构建出新的热力学参数EV。数据分析显示，EV与细胞状孔面密度呈现极强的线性相关性（R2=0.969)），有效提升了基于非溶剂热力学性质预测膜微观结构的准确度。 在ΔENIPS相近的条件下，非溶剂分子体积越小，单位体积内ΔENIPS累加值越高，细胞状孔成核密度也随之增大，这也解释了ΔENIPS小幅波动即可造成成核密度显著差异的现象。相较于传统的Flory–Huggins理论、Hansen溶解度参数等方法估算的热力学参数，EV对膜微观结构的预测效果显著更佳。 针对I型非溶剂体系，研究进一步分析了NIPS过程的本征成膜动力学。在准无限双扩散条件下，相分离前沿移动距离的平方与时间呈良好线性关系，符合菲克扩散方程，而直线斜率可反映相分离速率（即成膜动力学）。非溶剂的扩散系数与成膜动力学之间关联性很弱，究其原因是未考虑聚合物析出临界（浊点）时三元体系中非溶剂浓度。将扩散系数与浓度参数结合后，基于Python开展的成膜动力学模拟结果与实验观测高度吻合；进一步的测试也证实，体系中溶剂（DMAc）的扩散行为同样遵循菲克定律。研究首次完全排除了大孔洞引发的传质与空间不均一性干扰，最终证实细胞状孔是由溶剂–非溶剂扩散驱动的成核型相分离机制所形成。   3. NIPS机制总结 图4 NIPS机制总结与应用 如上所述，NIPS涉及多个过程的耦合，主要包括溶剂–非溶剂交换、细胞状孔和/或大孔洞形成以及聚合物固化。在NIPS过程中，大孔洞的出现能显著增强体系中的传质，从而加速所有子过程，这解释了大孔洞形成与膜形成速率（即通常所说的“瞬时”或“延迟”相分离）表面相关的现象。相反，仅含细胞状孔的厚聚合物析出层会减缓所有子过程，导致细胞状孔融合以降低界面能；随后，大孔洞便可能从融合的细胞状孔中开始形成。   4.多孔膜的构效关系 本研究分析了不同结构多孔膜的构效关系。性能测试表明，I型非溶剂制备的膜受大孔洞与连通细胞状孔影响，离子选择性较差；II型膜依靠相对致密的聚合物基质构建离子筛分通道，离子选择性能突出。II型膜的VO2+渗透率远低于I型膜，仅约为商用Nafion 212膜0.1%。同时，所有膜在3M H2SO4中的面电阻均低于Nafion 212膜，表明多孔膜具有更高的质子渗透性。因此，在80 mA cm⁻2下，II型膜在VFBs中实现了更高的能量效率（EE）。其中，采用正己烷制备的膜（PBInHex）厚度最薄（2.7 μm），且具有最高的EE。正电子湮灭寿命光谱及广角X射线散射结果表明PBInHex聚合物基质的自由体积直径介于4 Å至7 Å之间，小于水合钒离子的尺寸（>8.1Å）。由此实现了对钒离子与质子（4.1Å）的高度高效筛分，展现出优异的选择性。此外，采用PBInHex组装的VFBs性能始终优于使用Nafion212的膜，在220mA cm⁻2下达到80.6%的高EE，并可稳定运行超过500次循环，验证了所设计超薄多孔膜的可靠性。 核心结论 本文通过优化设计了一种流体调控装置，对NIPS过程开展原位观测，成功实现了大孔洞与细胞状孔形成过程的解耦。结合流体实验与粘性指进理论分析可知，大孔洞的形成受流体力学机制主导；在有效抑制大孔洞形成的基础上，实验进一步证实细胞状孔依靠成核–生长机制演化形成。结合ΔENIPS和分子体积参数，提出全新热力学描述符EV，同时建立了其与细胞状孔面密度的定量关联模型。采用低EV的非溶剂可制备出不含大孔洞、由分散排布的细胞状孔（即致密聚合物基质）构成的超薄多孔膜。所制备的超薄多孔膜具有高渗透性、选择性和稳定性，显著提升了VFBs性能。