June 2026

第一作者：苏居文 通讯作者：杨卫卫&安亮&屈治国 通讯单位：西安交通大学 成果简介 全钒液流电池（VRFBs）的商业化应用受限于电极反应动力学缓慢和传质阻力大等瓶颈。西安交通大学杨卫卫教授团队提出了一种温和酸性条件下的一步电化学氧化策略，成功制备了具有分级多孔结构的氮–硫共掺杂石墨毡（GF@N-S）电极。该研究创新性地实现了在碳表面同时进行原位磺化（-SO₃H）和胺化（-NH₂），构建了具有“微孔–介孔–大孔”分级结构和“N-S双活性位点”的电极界面。实验结果表明，GF@N-S电极展现出卓越的“三重协同效应”：N-S共掺杂显著降低了电荷转移电阻，优化的孔隙结构增强了传质能力，定制的电子结构加速了反应动力学。基于该电极的单电池在 300 mA cm⁻² 和 500 mA cm⁻² 的高电流密度下，能量效率（EE）分别达到 85.8% 和 75.0%，峰值功率密度高达 1159.2 mW cm⁻²，并实现了 1000圈长循环的稳定运行。 相关成果以“One-step electrochemical synthesis of synergistic N/S Co-doped hierarchically porous graphite felt for high-performance VRFBs”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。 感谢西安交通大学杨卫卫团队（第一作者：苏居文）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   研究背景 随着全球化石燃料资源的日益枯竭以及气候变化问题的加剧，以风能、太阳能为代表的可再生能源正逐渐成为能源结构的核心。然而，这些能源具有天然的间歇性和波动性，对电网的稳定性构成了严峻挑战，因此，开发高效、安全、长寿命的大规模储能系统（ESS）已成为当务之急。全钒液流电池（VRFBs）凭借其能量与功率解耦、安全性高、循环寿命长等独特优势，被认为是电网级储能最有前景的技术之一。 尽管潜力巨大，VRFB的大规模商业化应用仍面临着诸多技术瓶颈，其中电极性能是限制电池功率密度和能量效率的关键因素。目前商业化广泛使用的石墨毡（GF）电极通常存在电化学活性低和表面疏水性强的缺陷，导致活性物质的氧化还原动力学缓慢，特别是在高电流密度运行时，极化效应严重，使得能量效率大幅衰减。 为了突破这一限制，研究人员探索了多种电极改性策略。引入贵金属或金属氧化物催化剂虽然能提升活性，但面临成本高昂、环境毒性以及易在酸性电解液中腐蚀脱落等问题。相比之下，杂原子（如氮、硫、硼等）掺杂的碳基非金属催化剂因其低成本和高稳定性而备受青睐。然而，现有的杂原子掺杂方法往往依赖高温热解、化学气相沉积或多步水热法，这些工艺通常能耗高、步骤复杂且难以实现大规模连续生产。因此，迫切需要开发一种简单、温和、低成本且易于扩展的电极改性策略，在不牺牲碳基体导电性的前提下，同时实现高密度活性位点的引入和多级传质结构的优化。本研究提出的一步电化学氧化法正是在这一背景下应运而生，为解决上述难题提供了全新的思路。   核心内容 1.GF@N-S 的合成策略与结构设计 图1：GF@N-S 的制备流程及机理示意图。 (a) 制备流程示意图；(b-e) 电压、浓度、pH值及处理时间对电池能量效率的影响优化。 研究团队开发了一种简便的一步电化学氧化策略。将石墨毡置于弱酸性的(NH₄)₂SO₄电解液（pH=5）中，通过施加电压进行处理。如图1a所示，该过程具有双重作用：化学改性：在阳极氧化驱动下，SO₄²⁻发生电化学磺化生成亲水的-SO₃H基团；同时，NH₄⁺在阴极还原生成的活性-NH₂基团通过亲核加成锚定在碳骨架上，实现N/S共掺杂。结构重塑：电化学刻蚀作用在纤维表面诱导产生了丰富的微米/纳米级孔隙。 通过对电压、浓度、pH及时间的系统优化（图1b-e），确定了最佳制备条件（9V, 130 mg mL⁻¹, pH=5, 90s），以获得最优的电池性能。   2. 微观形貌与分级孔结构表征 图2：电极的微观形貌表征。 (a-c) 原始GF的SEM图像；(d-f) GF@N-S的SEM图像。 扫描电镜（SEM）结果清晰地展示了表面形貌的演变。原始GF表面光滑惰性（图2b, […]

通讯作者：黄泽波博士、武龙星博士 通讯单位：桂林电子科技大学、安徽科技学院 成果简介 钒液流电池（VRFB）相对较低的功率密度仍是其进一步发展的关键瓶颈。作为钒液流电池功率单元的核心材料，提升石墨毡电极性能已成为实现高功率电池技术的有效策略。为改善石墨毡电极的活性，本研究采用实验验证法，系统探究了不同活化温度与时间条件下的电池性能参数，进而确定最优活化工艺。与以往研究仅聚焦400℃、未对活化时间进行系统优化的局限不同，本研究通过评估5种活化温度（300℃、350℃、400℃、450℃、500℃）与4种活化时间（24h、11h、7h、3h），明确了上述参数对钒液流电池性能的协同影响机制。实验在室温环境下开展，结果表明：400℃活化温度下，电池充放电性能、内阻特性、能量效率及容量保持率均获得显著提升，其中能量效率分别提高5.06%、5.94%、3.67%及4.72%。本研究最终确定“400℃*7h”为最优活化条件，并提供了相应性能数据，可为后续研究降低电极活化相关的研发成本提供支撑，同时为钒液流电池电极活化技术优化及性能提升提供了重要理论参考与实践指导。 相关研究成果以“Experimental verification of electrode activation for improved performance in vanadium redox flow batteries” 为题发表在“Green Energy and Resources”期刊。 感谢桂林电子科技大学黄泽波博士供稿！ 本文所用 快拆型液流电池单电池测试系统（KCB-CZ） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 可再生能源是减缓气候变化和推进能源转型的基石，将生态优势与长期经济可持续性相结合。可再生能源已成为全球能源发展的主导方向。然而，可再生能源(如风能)的内在可变性和不稳定性，对其广泛应用于电力系统构成了主要障碍。因此，储能技术的部署对于通过能源的时空再分配来解决供需不匹配和增强电网稳定性至关重要。在各种储能解决方案中，钒液流电池(VRFB)具有显著的优势，包括最小的容量退化，有限的副反应，高可靠性和延长循环寿命。作为电化学储能系统的核心组成部分，钒液流电池具备一项独特属性—功率与能量的解耦特性，这使其在长时储能应用中表现尤为优异。然而，高成本仍然是其广泛采用的关键障碍。为了克服这一挑战，必须专注于通过提高VRFB的功率密度和电解质利用效率来降低成本，鉴于此，通过优化电极材料可以提高电池的综合性能，是克服VRFB低功率密度阻碍其广泛应用瓶颈的一种很有前景的策略。 电极材料性能的优化可以通过三种主要途径来实现:(1)增加电极活性面积，这可以通过采用高比表面积多孔碳材料(如石墨毡、碳毡)，通过物理或化学活化增强反应活性，或引入碳纳米管和石墨烯等纳米结构来实现。(2)催化改性，将催化材料固定在电极表面，降低钒氧化还原反应的过电位。(3)结构设计，利用3D多孔电极或梯度孔结构平衡电解质流动阻力和活性位点利用。在上述优化电极材料的方法中，电极热活化作为一种有效且方便的方法脱颖而出。它主要通过优化电极的物理化学性质来提高反应动力学、电导率和质量传递效率，从而导致电池性能的大幅提高。 近年来，通过电极热活化提高VRFB的效率取得了相当大的进展。He等人对内部处理和催化剂如何提高电极活性进行了全面分析，表明热处理有效地提高了VRFB的性能。Greco等人通过采用一系列温度(400、450、500°C)和处理时间(0-24小时)研究了热预处理对电极表面积的影响。他们的研究结果表明，在0–3h的处理时长内，电极表现出良好的稳定性，但处理时间延长后，电极比表面积会显著下降。Faggiano等人采用了延长热处理工艺，取得了最优性能。研究表明，聚丙烯腈基碳毡经400℃、6h热处理后，展现出高稳定性与优异的电化学性能。Köble等人发现，提高活化温度可改善润湿性并降低阻抗，但在更高温度下会引发严重的碳分解，400℃活化可实现最佳性能，不过该研究的评价指标尚未完全全面。Li等人指出室温活化电极显著提升了VRFB性能，在80mAcm⁻²电流密度下能量效率（EE）达到82.20%；相较于纯石墨毡和空气加热石墨毡，其能量效率分别提升6.10%和4.02%，这充分证明了该方法的有效性。Barranco等人对电极进行了500℃、1h的热处理，导致石墨毡化学成分发生变化，但未详细阐述其对电池性能的具体影响。G Dai等人指出500℃/2h热活化制备的碳毡兼具更长充放电时间与更低内阻的最优组合，凸显了活化温度、处理时间与电极最终性能之间的关键耦合效应。 尽管在VRFB电极热活化方面取得了显著进展，但仍存在一个关键的研究空白:大多数研究都集中在孤立的活化参数上，如单个温度或持续时间，或者只评估了有限的性能指标，导致缺乏对活化温度和持续时间对整体电化学性能的协同效应的系统评估。例如，Greco等人研究了热预处理对电极表面积的影响，Köble等人研究了温度依赖的润湿性和阻抗，但这两项研究都没有在优化的活化条件与关键VRFB性能指标之间建立更详细的相关性。例如充放电动力学，直流内阻，EE和长期容量保持。同样，尽管Faggiano等人和Dai等人确定了特定碳毡材料的最佳热处理参数，但他们没有对多个温度–持续时间组合进行比较分析，以确定一个广泛适用的活化窗口。因此，在实际应用中，活化效率和电极结构完整性之间的最佳平衡仍然存在很大的不确定性。 这一研究缺口阻碍了电极热活化有效转化为VRFB性能的提高。在没有系统优化活化温度和活化持续时间的情况下，热处理可能无法完全活化电极的活性位点(欠活化)或导致石墨毡过度氧化和碳降解(过度活化)。这两种结果都会损害电池性能并加速退化。因此，解决这一差距对于充分利用电极热活化在提高VRFB的功率密度和运行可靠性方面的潜力至关重要。 上述分析表明，VRFB电极的热活化是提高其电化学性能的关键步骤。这一过程主要通过改变电极材料的表面化学、孔隙结构和活性位点密度来提高电池的电荷转移效率和反应动力学。因此，确定电极热活化的最佳温度和持续时间对于提高VRFB性能至关重要。本工作系统地回顾了文献，以建立石墨毡电极的最佳热活化参数(温度和持续时间)。建立VRFB性能测试平台，系统比较碳毡的预处理条件，评估不同温度和时间下处理后的性能。   核心内容 【实验方法】 为了确定最佳电极活化温度和持续时间，构建了如图1(a)所示的实验平台。单电池测试系统采用武汉之升新能源有限公司。其组件包括离子交换膜、刻有蛇形流道的双极板、石墨毡、电极框架、铜集流板、铝制端板及紧固组件。其中，离子导电膜选用东岳DM212，膜厚50μm，电导率超过100mS/cm，氢气渗透率<0.01mL/min cm2，横向机械强度为32MPa。电极的有效活性面积为2cm×2cm(4cm2)，厚度为4.35mm。选用Neware（新威）CE-5008-10V20A-SBM充放电测试仪，单通道电压输出范围为2.5V-10V，精度为±0.02%，稳定性为0.01%。单通道电流输出范围为20mA-20A，精度为±0.03%，稳定性为0.015%，分辨率为16位。在正负极储罐中各加入30mL的1.7 ML−1电解液，初始价态为3.5+的钒离子。为了确保电池的最佳性能，将电池内置于泓进恒温箱里面，环境温度保持在40°C，湿度为50%。 图1 实验设计: (a)设备平台；(b)实验流程。 为了阐明电极热活化如何影响VRFB性能的机理，如图1(b)所示，作者设计了详细的实验程序。在实验之前，确保所有设备正常运行。采用了100 mAcm−2的恒流充放电方式，将截止电压设置为1.65V(充电)和0.9V(放电)。保护电压范围设置为0.85V至1.70V。在整个实验过程中，每30秒进行一次数据采集。循环泵以120 mLmin-1的固定速率运行，每种操作条件进行20次循环。实验分两个阶段进行。第一阶段，确定最佳活化温度。即通过保持所有其他操作条件不变，活化温度以50℃为步长，从300℃逐步提高到500℃，并在每一步收集实验数据。在温度测试之后，评估循环行为、内阻、效率和容量维护等性能指标，以选择最有效的活化温度。然后，这一确定的温度参数将指导后续对最佳处理持续时间的研究。在这一阶段，选择3、7、11和24小时的活化持续时间来评估和比较这些条件下的电池性能，目的是确定最佳活化持续时间。在进行20次充放电循环之前，使用30mAcm−2的低电流进行初步电解，以充分活化石墨毡并确保电解质完全电离，从而最大限度地减少对实验结果的潜在干扰。   【结果与讨论】 VRFB的性能评估涉及多个关键参数，直接影响其效率、成本、寿命和应用场景。作者利用充放电特性、直流内阻、能量效率和容量保持作为关键指标来评估在不同温度和持续时间参数下活化的电极。循环性能的评估依赖于电池测试仪器生成的充放电曲线。VRFB充放电曲线提供了对运行特性的洞察，包括电压动态和能量损失，从中得出关键性能指标。VE由与电子转移势垒相关的活化极化决定，突出了电极活化以创建催化位点的必要性。同样，容量保留反映了电极在重复循环中的稳定性同样依赖于电化学活性。高活性电极可以降低活化能，加快反应速率，最大限度地减少极化损失，从而提高容量保持。下面的讨论不仅将展示性能结果，还将阐明潜在的结构–活性关系，强调活化温度和持续时间之间的相互作用如何导致性能优化，这是本工作的关键发现。 （1）充放电性能 作者以恒流运行下的充放电循环作为关键指标来评估VRFB的性能。热活化通过产生活性位点，提高润湿性和修改表面化学来改善电极功能。这些综合效应优化了物理化学性质，从而提高了动力学性能和传输效率。图2(a)比较了不同活化温度下的单次充放电循环性能。以300℃为参照，随着温度的升高，充放电持续时间也随之增加，说明活化温度促进了电化学反应。然而，随着活化温度的继续升高，充放电性能开始下降，这表明过高的温度会导致石墨毡过度氧化，破坏石墨晶格结构，降低电导率。实验显示，在400℃时达到最佳性能，充放电持续时间分别比300℃、350℃、450℃和500℃时长1260s、360s、4620s和3570s。图2(b)对比了20次充放电循环的性能，进一步证实了400°C下的优越性能。400°C下的总充放电持续时间分别比300°C、350°C、450°C和500°C下的长12900s、23730s、3810s和63050s，换算成平均单周期持续时间分别比300°C、350°C、450°C和500°C下的长645s、1186.5s、190.5s和3152.5s。有研究表明，当活化温度过高时，石墨毡容易碳化，导致性能明显下降。 电极的热活化主要是为了增强电极的催化活性，改善电解质的润湿性，降低电荷转移阻抗。因此，不同的活化持续时间会显著影响电极的表面特性、反应活性和长期稳定性。例如，短期活化可能导致活化不足，从而导致活性官能团数量有限，催化位点较少，阻碍了电化学反应的进行。另一方面，过度活化会对石墨毡表面造成严重腐蚀，加剧副反应。图2(c)和(d)分析了四种不同的热活化持续时间对电池单次和多次循环充放电性能的影响。图2(c)中的数据显示，相对于11h的活化，7h的活化延长了360秒的操作时间。这种性能下降意味着延长的活化会促进非导电氧化物的产生，增加电阻，并导致充电和放电过程中的异常电压行为。为了进一步确认活化时间对循环稳定性的影响，对20次循环后的电压特性进行了统计评估。实验结果表明，7h活化的总充放电时间比11h活化的总充放电时间长6270s，相当于每循环平均增加313.5s。这表明，适度活化可以大幅提高电池性能，而过度活化则会损害电池性能。 图2 充放电特性分析: (a)不同活化温度下的单次充放电曲线，(b)不同活化温度下的20次充放电曲线，(c)不同活化持续时间下的单次充放电曲线，(d)不同活化持续时间下的20次充放电曲线。   （2）热活化对电池内阻的影响分析

第一作者：刘书畅 通讯作者：许伟聪&陈瑞华 通讯单位：天津大学先进内燃动力全国重点实验室 成果简介 在各类低品位余热回收技术中，热电化学循环（TEC）展现出卓越的热电转换性能，并能通过液流反应器实现连续热电转换。尽管活性材料已取得重大进展，但针对TEC关键充放电过程中的质量传递与电化学反应行为机制研究仍显不足，尤其在非等温充放电过程方面存在局限，这制约了性能的进一步提升。本研究建立三维多物理耦合模型，模拟非等温充放电过程中活性物质的流动与质量传递特性，分析通道尺寸、温度、电解液流速及电流密度对多孔电极内活性物质分布的影响。结果表明，充放电过程中的温差导致液流反应器内活性物质分布发生显著变化，这为不同温度下反应器流道的设计与选择提供了指导。在优化流道设计与操作条件下，当充放电温度分别为40℃和10℃时，TEC展现出1.44 W/m2的最大功率密度及10.2%的最大相对卡诺效率。本研究有望为TEC电化学液流反应器的优化设计提供创新性见解。 相关成果以“3D Simulation and Performance Analysis of the Non-isothermal Charge/Discharge Processes in Thermo-electrochemical Cycle”为题发表在Journal of Power Sources期刊上。 感谢天津大学赵力团队（第一作者：刘书畅）供稿！ 本文所用液流反应器和钒电解液 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 基于电化学反应的新型热电化学循环（Thermo-electrochemical cycle, TEC）及装置被提出，并在低温热电转换研究领域展现出较好的应用潜力。传统的热电化学循环装置是间歇性的，在时间上分离了热和电的过程，因此功率输出是不连续的，并且不适合用于收集常见的温度长期稳定的低温热源热能。为了实现连续的电能输出，可将两组液流反应器与冷热源换热器组成连续型热电化学循环系统。尽管在开发先进活性材料方面投入了大量努力，但鲜有研究专注于TEC中关键组件——流动反应器的优化设计，而该组件对性能同样具有显著影响。不同于液流电池，热电化学循环中的液流反应器需要在不同的温度下运行，温度的差异导致了反应器内部的压降、流速和浓度等物理场分布的不一致，因此，需要深入探究反应过程中多物理场随温度的协同变化规律，明确液流反应器温度适配性设计原则。 本研究使用钒电解液为例进行模拟与实验，建立了热电化学循环液流反应器的三维仿真模型，通过改变流动通道的宽度和温度，分析了多孔电极内流体流速的大小和均匀性的变化规律。通过改变流道宽度、进口流量、温度和电流密度，并对计算结果进行可视化分析，作者得到了扩散作用、对流作用和反应剧烈程度对电极内活性物质的分布均匀性的影响。结合以上的结果与分析，得到了不同参数对反应器极化特性的影响规律。随后，通过分析反应器的充放电结果发现了反应面积的重要性，找到适合TEC系统的结构与运行状态。有望为TEC电化学反应器在流动通道层面的优化提供新的见解。 图1：图形摘要   核心内容 1.三维多物理场耦合模型构建 图2:液流反应器三维模型 a)反应器结构示意图；b)I型流道，流道宽度8.8mm；c)II型流道，流道宽度3.78mm；d)III型流道，流道宽度2.32mm；e)IV型流道，流道宽度1.67mm；f)V型流道，流道宽度1mm 本文基于SOLIDWORKS软件对液流反应器进行三维建模，并将模型导入COMSOL Multiphysics软件进行后续多物理场仿真。图2（a）所示为反应器结构示意图，包含正负极的流道、电极和离子交换膜，反应器长L和宽W都为80mm，流道厚度Hc为1mm，电极厚度H为3mm，膜厚度Hm为0.05mm。设计了五种不同尺寸的流道结构，其中进出口处的流道较宽，不仅可以为流体的进出提供缓冲空间，保证管路的安全连接，而且可以方便中间流道的设计，如图2（b）~（f）所示，其中，图2（f）所示流道尺寸与本实验室已有的装置尺寸一致，这主要是为了方便验证模型的有效性。   2.流动特性 如图3（a）所示为不同尺寸流道的液流反应器中正负极侧压降随温度的变化计算结果。随着流道的延长，流体流动截面积逐渐减小，流道内流体的流速加快，反应器进出口压降增加；并且随着温度的升高，正负极两侧进出口压降都减小，但负极侧的压降略高于正极侧，且温度越高，正负极压降差越大。 图3（c）所示为电极内流体的相对速度分布，即某一位置的速度与电极内平均速度之比，用于表征流体在电极中流动的均匀性。结果显示，采用III型、IV型和V型流道时，除了流道进出口处由于流道宽度较大导致流速较小外，电极内流体流速分布相对均匀，有利于降低电化学反应极化损失。 图3: 流动压降及物性变化结果 a)流动压降计算结果；b)正负极电解液动力粘度和密度随温度变化情况；c)电极内相对速度分布图   3.传质特性 在特定温度下，VO2+离子的扩散系数保持不变，此时离子浓度分布的均匀性随液体流速的增加呈现先增大后减小的趋势，如图4（a）所示，这表明流速过高和过低都不利于离子的均匀分布，此变化趋势并未随温度变化而改变。在特定流道结构下，液体的流动状态和离子的扩散行为同时受到温度影响，这是因为液体动力粘度和离子扩散系数都随温度改变而变化。随温度升高，液流动力粘度降低，流动速度变快；而离子扩散系数随温度升高逐渐变大，如图4（b）所示，表明高温条件下离子扩散速度较快，有利于离子分布的均匀性。流动状态和扩散行为的双重作用，导致在使用不同流道类型时，VO2+离子分布的均匀性随温度的变化趋势并不一致。 图4：VO2+离子分布特性 a)浓度分布均匀性随温度变化情况；b)离子扩散系数随温度变化情况   4.热电化学循环系统循环特性 图5 （a）为工作流量为1mL/min时TEC系统相比于全钒液流电池（Vanadium redox flow

第一作者：彭仕琦 通讯作者：贺高红 通讯单位：大连理工大学 DOI：10.1002/aenm.71164 感谢大连理工贺高红团队（第一作者：彭仕琦）校稿！ 工作简介 本研究提出了一种通过刚性侧链将电荷引入亚纳米通道中部的策略，并开发出一种名为QPAEPi-3的膜材料，在保持水分子和离子高扩散系数的同时构建了连续的氢键网络。同时，作者团队还同步设计并研究了无侧链（QPAEPi-1）及含柔性侧链（QPAEPi-2）的膜材料。实验结果显示位于远离孔壁处的电荷虽会降低水分子吸附量，但能诱导形成更接近体相水的氢键网络，从而提升水分子和离子的自扩散系数。该膜材料实现了氯离子最高导电率（30°C时达42mS cm⁻¹）以及pH中性有机液流电池的最高能量效率（500mA cm⁻²时达55%）。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 离子交换膜在燃料电池、氧化还原流电池及水电解等多种电化学装置中发挥着关键作用。凭借载电特性，能促进离子传输，从而确保电化学系统的高效运行。因此，提升其离子传输能力对优化这些器件的性能至关重要。传统离子交换膜通常通过增强离子交换容量（IEC）、引入柔性烷基季铵侧链、引入疏水性烷基/氟化结构，或利用氢键、π-π堆积及偶极–偶极相互作用等非静电作用力来改善微相分离，进而提高离子导电性。然而，在膜的选择性与离子导电性之间难以实现权衡。 核心内容 1.膜制备与化学结构表征 图1.QPAEPi-x膜物理与化学结构的表征 ¹H核磁共振谱显示6–8ppm处的化学位移源自聚合物主链中苯环上的氢原子；所有QPAEPi-x聚合物均呈现相应的化学位移，证实了主链的芳香结构特征；季铵基团上甲基氢信号的出现证实了三种聚合物均成功实现了亲水修饰。此外，FTIR在3700 cm⁻¹处的波数源自水分子，在所有三种膜中均被观察到，进一步证实了该聚合物具有亲水性特征。 所有三种离子交换膜均表现出均匀性和透明性。AFM可观察到三种膜表面均均匀且无缺陷。所有膜的表面粗糙度均未超过0.185nm，证实了聚合物膜表面的光滑性。   2.在亲水性受限通道中扭转氢键网络 图2.受限通道尺寸与水分子分布，水分子在受限通道中的分布 AFM观察到所有干燥态QPAEPi-x均表现出显著的微相分离行为。对于QPAEPi-1，亲水性离子簇的尺寸分布范围为5至20纳米；QPAEPi-3的离子簇尺寸分布与QPAEPi-1相似，但平均离子簇尺寸略小于QPAEPi-1；而QPAEPi-2的离子簇尺寸分布范围较宽，平均离子簇尺寸大于QPAEPi-1和QPAEPi-3，显示出最明显的微相分离特征。 2D ¹H-¹H NOESY谱显示当两个氢原子间距小于5Å时，谱图中会出现交叉峰；否则则未观察到任何峰。在QPAEPi-1中，水分子上的氢原子（3.3ppm）与苯环上的氢原子（6.8ppm和7.4ppm）均呈现明显的交叉峰，表明水分子与苯环的距离小于5Å，证实了水分子环绕苯环的存在。对于QPAEPi-2和QPAEPi-3，其背锥区中未观察到水分子与苯环之间的明显交叉峰，说明水分子始终远离苯环。因此，通过设计侧链结构，可以调控水分子的分布范围。与此同时，水接触角测试证实与QPAEPi-1相比，QPAEPi-2和QPAEPi-3表现出更大的接触角。 图3受限通道中水分子间氢键网络的分布 FTIR在干燥状态下检测到的水分子均分布于季铵基团附近区域。三种QPAEPi-x样品均在3100–3800cm⁻¹处呈现特征峰。QPAEPi-1样品中非氢键结合型水占比达21.2%，表明部分水分子相对独立，尚未形成完整的氢键网络，归因于季铵基团紧邻孔道壁，导致水分子吸附于受限通道壁面，从而阻碍了水分子间氢键网络的形成。QPAEPi-2样品也表现出类似特性，其非氢键结合型水含量高达32.1%，可能归因于在干燥状态下，柔性侧链呈卷曲状且未完全伸展，从而阻碍水分子形成高效、连续的氢键网络。然而，QPAEPi-3的非氢键结合水含量极低（仅为2.8%），表明当季铵基团远离孔壁时，吸附的水分子能够轻易形成连通的氢键网络。但经水合处理后，QPAEPi-x膜中水分子的FTIR峰均出现红移，表明膜内形成了更强的氢键网络。进一步分析显示，水合后的QPAEPi-1和QPAEPi-2膜中非氢键结合水含量显著降低，而强氢键水含量则大幅增加，说明吸附的水分子被用于构建相互连接的水通道网络。不过由于QPAEPi-3的季铵基团远离孔壁，在整个水合过程中非氢键结合水含量始终较低；而强氢键水含量的增加主要源于弱氢键水的转化。 FTIR测定的水合QPAEPi-x中各类水分子比例的变化显示随着季铵基团离聚合物孔壁越来越远，水合QPAEPi-3中水分子的状态变得更类似于体相水的状态，而水合QPAEPi-1中水分子形成了相对较强的氢键网络，可能会限制水分子自扩散的速率。分子模拟结果可视化展示了QPAEPi-x中水分子形成的氢键网络；其中QPAEPi-1由于具有更高的吸水能力，其氢键网络更为广泛。并且，所有三种水合态QPAEPi-x化合物中的氢键网络均强于纯水中的氢键网络，可能归因于空间限制效应。   3.亲水性受限通道中的离子与水转运 图4受限通道中的离子与水转运 固态核磁共振技术显示所有三种QPAEPi-x膜均显示自由水分子的化学位移位于4.7ppm处，并伴有受限通道内水分子的化学位移。随着季铵基团远离孔道壁移动，水分子的化学位移逐渐趋近于自由水的化学位移，表明水分子状态正向自由水状态靠拢。同时，在QPAEPi-x膜中的F⁻体系中也观察到相同现象，说明F⁻的自扩散系数与水分子的自扩散系数呈正相关。脉冲场梯度核磁共振技术显示当受限水分子中的氢键网络强度接近体相水时，水分子的自扩散系数随之增加；同时F⁻离子的自扩散系数也显著升高，表明F⁻离子的自扩散系数与水分子的自扩散系数呈正相关。同时，宏观尺度下水分子或阴离子扩散能力实验显示QPAEPi-x的F–扩散系数约为10−6cm2 s-1，而在浓度驱动条件下，宏观F-扩散效率约为10-7cm2 s-1。然而，QPAEPi-x之间的相对关系保持不变，表明阴离子在宏观和微观尺度上的扩散能力存在相关性。 此外，室温下的面电阻测试表明QPAEPi-1的平均面电阻为1.16Ω cm²，而QPAEPi-2为0.87Ω cm²。QPAEPi-3的面电阻最低，仅为0.68Ω cm²，表明在三种膜中具有最低的氯离子传输电阻。氯离子电导率与温度呈正相关，与高温下较高的WU值相关。然而，QPAEPi-3虽具有最小的WU和SR，却展现出最高的氯离子电导率，表明本研究提出的优化亚纳米通道内电荷分布的策略对于提升氯离子电导率至关重要。   4.电池性能 图5配备QPAEPi-x的NAORFB电池性能 配备QPAEPi-x的TEMPO基NAORFBs可在高达500mA cm-2下完成完整的充放电循环测试，表明具备快速充电潜力。随着电流密度增加，电池的CE持续上升，充分证明了QPAEPi-x对氯离子具有优异的选择性传输能力。在相同的电流密度下，QPAEPi-2电池的CE低于QPAEPi-1和QPAEPi-3电池，是由QPAEPi-2形成的较大离子簇尺寸导致选择性略有下降所致。然而，使用QPAEPi-3的电池CE也略低于QPAEPi-1，但在100mA cm-2下仍超过99.5%，表明具有优异的选择性。随着电流密度增加，QPAEPi-x电池的EE逐渐降低。在相同电流密度下，QPAEPi-3电池的EE高于QPAEPi-1和QPAEPi-2。在300mA cm-2下，QPAEPi-3电池的EE超过71%；即使在500mA cm-2时，EE仍保持在55%以上，显示出较高的EE。 此外，采用TMAP-TEMPO作为活性材料的电池表现出更高的CE，归因于TMAP-TEMPO上的季铵基团与QPAEPi-3上的季铵基团之间存在的排斥作用。在200mA cm-2下，采用QPAEPi-3的NAORFB电池CE接近100%，而EE仍保持在71%以上，表明具有优异的氯离子选择性传输能力。并且，经过1500次充放电循环后，电池的CE未发生显著变化，始终维持在100%附近；放电容量也未出现明显波动，进一步证实了电池的卓越稳定性。第500、1000和1500次循环的放电曲线更清晰地证明未出现容量衰减现象。首次循环的放电容量相对较低，是由于电池测试初期阶段QPAEPi-3逐渐被活化，导致实际放电容量持续上升；至第50次循环时电池已达到平衡状态，此后实际放电容量不再出现显著变化。 核心结论 本文开发了三种具有不同侧链构型的阴离子交换膜，并用于研究氯离子传输机制。三种膜均表现出相似的微相分离行为和亚纳米级孔径分布特征。由于侧链的刚性构象，QPAEPi-3上的季铵基团相较于QPAEPi-1更远离主链排列。这种结构安排使水分子和氯离子在亚纳米级孔隙内的分布倾向于向中心区域而非孔壁聚集，由此形成的水分子间氢键网络强度更接近体相水。PFG-NMR实验证实阴离子与水分子的自扩散系数存在协同效应。因此，在最低溶胀比（10%@30°C）条件下，QPAEPi-3展现出最高的导电率（42mS cm⁻¹）以及pH中性有机氧化还原液流电池的最佳EE（55%@500mA cm⁻²）。

第一作者：汪涛&杨果&崔铭锦&夏惠堂 通讯作者：丁煜&崔铭锦 通讯单位：南京大学&上海理工大学 成果简介 南京大学丁煜联合上海理工大学崔铭锦教授，展示了一种自充电有机氧化还原液流电池（SCFB），以解决固态反应动力学的局限性。利用液相氧化还原反应的快速动力学，实现了高充电速率，在8分钟内超快达到总容量的94%。通过使用催化剂来减少副反应，该液流电池可以稳定运行1600次循环。即使在-10 °C的严苛环境下，该电池也能运行超过2500次循环。通过模拟计算和原位表征研究了自充电机制背后的氧化还原化学，揭示了烯醇化反应中快速的外层电子转移对反应动力学有显著贡献。在概念验证演示中，进一步将系统从锌负极扩展到镁和铝负极，展示了构建可持续能源系统的潜在途径。 相关成果以“Self-charging organic flow batteries based on multivalent metal negative electrodes”为题发表在Nature Communications期刊上。 感谢南京大学丁煜团队供稿！ 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   研究背景 可充电电池是储能核心技术，但传统电池依赖电网充电，在偏远或恶劣环境下应用受限。现有自充电电池多基于固态电极，固–气界面缓慢的反应动力学导致充电耗时久，难以满足快速充放电需求。液相体系具有更高的迁移率和反应动力学，基于此设计的自充电液流电池可突破扩散壁垒：O2能通过液相快速氧化还原态多元醇，Zn2+等电荷载体在液相中的扩散系数比固态高数个数量级，且液流电池开放的电池结构适配自充电的空气注入过程，仅需气泵向电解液储液罐通入O2即可实现自充电，无需拆解电池，大幅简化装置复杂度。   核心内容 图1：SCFB的设计原理 如图1所示，SCFB由正负极电解液、集流体、隔膜和储液罐组成。正极侧连接气泵，通入空气即可自充电，无需拆解。醌类衍生物在O2氛围下CV曲线变化显著，表明其还原态可被O2快速氧化，符合自充电对材料还原电位低于氧还原电位的要求。DFT计算显示，2,7-AQDS的LUMO能量最低、能隙最小，电子转移阻力低，取代基位置进一步优化其电化学性能。在理化特性方面，2,7-AQDS具有最高的氧化还原电位、溶解度、扩散系数和反应速率常数，是SCFB最优正极材料。 图2：SCFB的自充电机制 开路电压测试显示，放电后电压为0.56 V，通入O₂后升至1.08 V，表明O₂对还原态2,7-AQDS2-的氧化是自充电的关键驱动力。光谱分析进一步揭示反应过程：UV-Vis显示通空气后C=O吸收峰增强，8分钟内2,7-AQDS2-完全氧化，且反应可逆；原位FTIR中C=O峰增强并伴随H2O2信号，EPR检测到·OH，均证实O2氧化过程中生成H2O2副产物。反应机制总结为：放电时2,7-AQDS被还原，自充电时O2将其氧化再生并产生H2O2；Mn基碳毡可有效分解H2O2、促进电子转移，从而提升电池稳定性。 图3：SCFB的电池性能 充放电过程的UV-Vis光谱显示，C=O与C-O键吸收峰在充放电过程中可逆变化，证实烯醇化反应是电荷存储的核心机制。倍率性能测试表明，电流密度从10增至120 mA cm-2时，库仑效率始终接近100%，优异性能源于2,7-AQDS的快速电子转移与催化剂的催化作用。循环稳定性方面：0.1 M 2,7-AQDS体系可以稳定循环1600次。在-10℃条件下可稳定循环2500次，库仑效率超过99%；0.5 M体系同样能稳定运行600次。NMR分析显示循环后2,7-AQDS分子结构未发生降解，容量衰减主要归因于锌负极腐蚀、枝晶生长及物种交叉渗透。 图4：SCFB的自充电性能 自充电速率方面，系统在通入空气后仅需8分钟即可达到94%的理论容量，快于传统固态自充电系统。性能对比显示，相较于已报道的自充电电池，SCFB在自充电效率与时间综合维度上表现最优。多金属负极验证表明，Zn、Al和Mg负极在20次自充电-放电循环中均表现出稳定的电压平台与可忽略的容量衰减，证实了该负极体系具有良好的通用性。在应用方面，通过串联3个2,7-AQDS基SCFB构建的电池堆，可成功为手机、电风扇等小型电器供电。电解液在放电时由亮黄色变为黑色，自充电后恢复原色，直观反映了2,7-AQDS/2,7-AQDS2-之间高度可逆的氧化还原反应，体现出良好的实用潜力。   结论展望 本研究开发的自充电有机液流电池突破了固态自充电体系反应动力学缓慢的瓶颈：通过筛选出高活性的2,7-AQDS作为正极材料，结合被修饰的碳毡抑制副反应、提升动力学，实现了 8 分钟超快充至 94% 容量、稳定运行1600次循环，且 -10 ℃下仍可稳定循环 2500 次；同时将负极拓展至 Mg、Al，展现出体系的通用性。该电池采用生物衍生有机材料、地球丰度金属和空气中的 O₂为核心构建单元，无需外部电源即可自充电，在无电网覆盖的场景中具有巨大应用潜力。

  通讯作者：孟凡成 通讯单位：中国科学院过程工程研究所 成果简介 针对全钒液流电池正极电解液在高温下易沉淀、传统添加剂难以兼顾热稳定性与电化学活性的关键问题，本研究提出了甲磺酸（MSA）与磷酸二氢铵（ADP）协同作用的双功能添加剂策略。该体系通过磷酸根络合与甲磺酸强质子化环境的协同效应，将45°C下V(V)电解液出现沉淀的起始时间从1天延长至10天。电化学测试表明，双功能添加剂显著提升了VO2+/VO2+氧化还原可逆性，降低了电荷转移电阻，扩散系数提高至6.54×10⁻7 cm2·s⁻1。单电池测试显示，在100 mA·cm⁻2电流密度下循环50次后，容量保持率达73.9%，能量效率为83.1%，较空白电解液分别提升8.2%和1.2%。该研究为同时提高钒电解液热稳定性与电化学性能提供了新范式。 相关成果以“Enhanced Thermal Stability and Electrochemical Performance of Positive Electrolytes in Vanadium Flow Batteries via a Bifunctional Additive System”为题发表在Journal of The Electrochemical Society期刊上。 感谢中国科学院过程工程研究所孟凡成&王丽娜团队供稿！ 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 全钒液流电池因其循环寿命长、本征安全性高、功率与容量可独立调控等突出优势，被视为大规模储能领域最具应用前景的技术之一。然而，实际商业化部署仍面临关键瓶颈：正极电解液中五价钒离子在高温高浓度条件下易发生不可逆沉淀，不仅导致活性物种流失与容量衰减，严重时还会堵塞电解液流道，威胁系统安全运行。磷酸盐类添加剂（尤其是磷酸铵）通过磷酸根与钒离子的络合作用及铵离子的协同效应，展现出优异的沉淀抑制能力，但多数传统磷酸盐添加剂在提升热稳定性的同时，往往以牺牲电化学性能为代价，导致扩散系数降低、电荷转移阻力增大。另一方面，甲磺酸因其完全解离可提供高质子浓度，且磺酸基团能吸附活化石墨毡电极，显著降低电荷转移电阻并加速VO2+/VO2+反应动力学，被视为调控界面动力学的理想候选。然而，单一MSA对沉淀抑制效果有限。现有添加剂体系本质上难以同时满足热稳定性与电化学活性的双重需求，严重制约了钒液流电池技术的进一步发展，亟需开发能够协同优化两者的创新策略。 本研究，提出甲磺酸（CH3SO3H）与磷酸二氢铵（NH4H2PO4）协同作用的双功能添加剂策略，通过“磷酸根络合–质子环境强化“双重机制同步实现正极电解液性能突破。实验表明，该体系将45°C下V(V)电解液沉淀起始时间从1天显著延长至10天，30天后V(V)浓度保持率达77.8%，较空白体系提升27个百分点。电化学测试证实双添加剂使VO2+/VO2+氧化还原可逆性改善20%，扩散系数提高至6.54×10⁻7 cm2·s⁻1，电荷转移电阻降至0.151 Ω·cm2。单电池在100 mA·cm⁻2下循环50次后容量保持率达73.9%，能量效率83.1%，较空白电解液分别提升8.2%和1.2%。该协同策略成功破解了钒电解液稳定性与活性的权衡难题，为开发宽温域、高稳定性的钒液流电池提供了新范式。 核心内容 1.双功能添加剂体系设计原理与电解液制备 采用甲磺酸（CH3SO3H, MSA）与磷酸二氢铵（NH4H2PO4, ADP）复合配方。MSA通过完全解离提供高质子浓度，其磺酸基团可吸附活化石墨毡电极表面；ADP通过磷酸根与钒离子形成单齿配位络合物[VO2(H2O)3]+-PO43⁻，抑制V-O-V自缩聚反应。电解液通过电解氧化1.7 mol·L⁻1 VOSO4溶液（2.5 mol·L⁻1 H2SO4）制备，添加剂浓度均控制为0.1 mol·L⁻1以避免VOPO4沉淀。 2. 电解液热稳定性表征 热稳定性测试在45°C恒温烘箱中进行，无搅拌条件下肉眼观察红棕色沉淀出现时间。结果显示空白电解液仅稳定1天即出现沉淀，MSA通过提供过量H+抑制[VO2(H2O)3]+去质子化反应，使稳定时间延长至2天。ADP效果最显著，磷酸根与钒离子络合使沉淀延迟至9天。双添加剂协同作用进一步将稳定时间延长至10天，证明MSA的酸性环境强化了ADP的络合稳定性。 图1. 含不同添加剂的V(V)电解液的紫外–可见光谱； V(V)浓度随时间变化曲线 空白电解液在5天内V(V)浓度急剧下降，10天后钒剩余率约50.9%。ADP单独添加可将钒剩余率提升至74.7%，而MSA与ADP协同作用使钒剩余率达77.8%，较空白组提高27个百分点。紫外–可见光谱证实添加剂在氧化性环境中保持稳定，未改变钒离子价态。 表1. 45℃时含不同添加剂的V(V)电解液中首次出现沉淀的时间 3.电化学性能评价 3.1 循环伏安特性 三电极体系测试显示，所有电解液在0.4-1.6 V范围内呈现VO2+/VO2+特征氧化还原峰（图2）。添加剂使峰电流略有降低，但峰形对称性显著改善：MSA + ADP体系的氧化/还原峰电流比IpO/IpR达0.94，接近理想可逆体系的1.0。峰电位差ΔVp从空白组的0.186 V降至0.149 V，降幅20%，表明双添加剂有效降低了反应活化能垒。该改善归因于MSA在石墨电极表面形成的-SO3⁻修饰层与ADP的NH4+产生协同吸附效应，优化了钒离子在电极界面的电子转移路径。 图2. 含不同添加剂的钒电解液的CV曲线；ip与v1/2的线性关系图 准可逆单电子转移过程的特征表现为峰电流与扫速平方根呈线性关系。根据Randles-Sevcik方程计算扩散系数（表2），MSA+ADP体系的D1和D2分别为6.54×10⁻⁷ cm²·s⁻¹和5.89×10⁻⁷

第一作者：石欣伟&龚勇青&王志超 通讯作者：丁煜&邓昱&杨孟昊&崔铭锦 通讯单位：南京大学&同济大学&上海理工大学 成果简介 南京大学丁煜/上海理工大学崔铭锦教授联合同济大学杨孟昊教授，创新利用液态金属（如镓）独特的低混合焓与高流动性，开发出一种快速热扩散辅助加热法，可在1分钟内实现铟掺杂RuGa金属间催化剂（In-RuGa IMCs）的原子级精准制备。该方法有效规避传统高温退火导致的颗粒粗化与元素偏析，获得尺寸均一（8.7 ± 2.0 nm）、结构高度有序的催化剂。在电催化硝酸盐还原反应中，Ga/In与Ru之间的d–p轨道杂化有效调控电子结构，抑制析氢副反应，提升反应路径选择性，在–0.6 V条件下实现6.43 mg h⁻¹ cm⁻²的氨产率与97.3%的法拉第效率。该催化剂在电催化硝酸盐还原反应中表现出良好应用潜力，结合其卷对卷规模化制备与低能耗优势，为金属硝酸盐体系液流电池的高性能催化材料的绿色制造与能源—环境耦合系统构建提供了新路径。 相关成果以“Liquid Metal-Enabled Rapid Structure Ordering of Intermetallic Nanocrystals with Electronic Modulation”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。 感谢南京大学丁煜团队供稿！ 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 金属间化合物纳米晶因其原子级有序结构在电催化领域潜力巨大，然而传统高温退火法存在能耗高、易元素偏析与颗粒粗化等问题，这不仅制约了催化剂的均一性与稳定性，更使得其在需要大量催化剂的金属硝酸盐体系液流电池等器件中的应用受阻。针对此瓶颈，本研究创新采用低焓液态金属作为动态反应介质，利用其优异流动性和负混合焓特性，开发出快速热扩散辅助加热法，在1分钟内即可合成出尺寸均一、结构有序的铟掺杂RuGa金属间催化剂。该催化剂在硝酸盐还原制氨反应中表现出高达97.3%的法拉第效率。这项工作不仅实现了高效的硝酸盐转化，更展现出巨大的应用潜力：该催化剂能作为金属硝酸盐体系液流电池的正极核心，使得电池在储能放电的同时，将硝酸盐污染物直接转化为有价值的氨，实现“一举双得”。本研究提出的快速、低能耗、可卷对卷制备的合成方法，正为此类新型液流电池系统走向实用化提供了关键的催化剂材料保障。 核心内容 1.In-RuGa IMCs的合成与结构 流程图1:In-RuGa IMCs催化剂的合成流程图。 图1：In-RuGa IMCs催化剂的电镜表征 如图1所示，本研究通过液态金属前驱体与快速焦耳加热法成功合成了铟掺杂RuGa金属间催化剂（In-RuGa IMCs），该高效催化剂可作为金属硝酸盐体系液流电池的理想正极材料。电镜表征显示，所得催化剂纳米颗粒尺寸均一（8.7 ± 2.0 nm），并在碳载体上均匀分散。高分辨图像与球差校正分析直接证实了其高度有序的原子排列与因In掺杂引发的晶格膨胀。进一步的几何相位分析与元素面扫描结果，均表明该催化剂存在显著的晶格应变且元素分布均匀，无相分离现象。 图2：In-RuGa IMCs催化剂的X射线表征 采用多种X射线光谱技术深入解析了In-RuGa IMCs的晶体与电子结构，该结构特性是其在金属硝酸盐体系液流电池中作为高效正极催化剂的关键基础。XRD谱图（图2a）确认其具有有序体心立方结构。XPS分析（图2b,c）显示，随着Ga和In的逐步引入，Ru 3p₃/₂结合能持续降低，表明电子从Ga/In转移至Ru，有效优化了活性位点的电子环境。XANES与EXAFS结果（图2d–g）进一步证实，Ru保持金属特性而Ga呈氧化态，成键环境以Ru–Ga配位为主，配位数为8，符合有序IMC结构。此外，小波变换EXAFS（图2h）在9.4 Å⁻¹处识别到显著的Ru–Ga散射特征，明显区别于金属Ru与RuO₂，揭示了Ru与Ga之间存在的d–p轨道杂化。该电子结构调控不仅增强了硝酸根吸附与活化，也提升了催化剂在液流电池运行环境下的稳定性与反应选择性。   2.In-RuGa IMCs的电催化活性 图3：In-RuGa IMCs催化剂的活性 电催化性能测试表明，In-RuGa

  第一作者：刘成伯 通讯作者：吴雪梅&崔福军 通讯单位：大连理工大学 成果简介 COFs有望突破离子传导膜中质子传导与钒离子渗透之间的权衡，然而，最大化纳米级COF材料在聚合物基膜中的内在优势仍是一个挑战。在此，大连理工大学贺高红团队以膜中的离子簇作为模板，用于创建COF/离子簇共生离子传导通道的独特形态。在磺化聚苯并咪唑（SPBI）膜的浇铸过程中，离子簇模板通过与磺酸基团的多重氢键相互作用锚定三（4-氨基苯基）胺（TAPA）单体，诱导TpTAPA-COF纳米颗粒与离子簇的共生。共生的COF/离子簇微相结构明显增加了亲水性离子传导通道的尺寸，从5-8纳米增至20-30纳米，仅需约1wt%的COF含量，并通过TpTAPA-COF的6Å孔隙建立钒离子筛分网络，使得SPBI/COF-1%膜具有高达8.1×10⁹ mS s cm-3的离子选择性，约为Nafion 212（2.1×10⁹ mS s cm-3）的3.9倍。SPBI/COF-1%膜组装的钒氧化还原液流电池（VRFB）在200 mA cm-2时展现出82.3%的高能量效率，并在800次循环中保持稳定的循环性能，化学结构未发生改变。 相关成果以“Ionic cluster as template to confine the in-situ intergrowth of COFs in ion conductive membrane for vanadium redox flow battery”为题发表在Journal of Membrane Science期刊上。 感谢大连理工大学贺高红团队 （第一作者：刘成伯）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 自支撑COF膜已通过COF纳米片的逐层堆叠、溶液浇铸和界面聚合等方法开发，但机械强度和韧性较差。迄今为止，将纳米尺度COF材料与柔性聚合物结合仍是主要方法。例如，将TpPa-SO3H和SSNW-1纳米颗粒掺入PBI和SPEEK等聚合物基质。通过利用聚合物基质的强度和韧性，可以有效利用COF内在特性来提高复合膜的离子选择性，但是，在先前报道的膜中观察到了数百纳米的COF团聚体。为提高COF与聚合物之间的相容性，开发了在膜浇铸过程中原位形成COF的方法，然而，COF生长的温度等反应条件受到溶剂蒸发的限制，往往导致膜中COF的结晶度差和团聚。因此，迫切需要开发将纳米尺度COF材料高效掺入聚合物膜的方法。 本文以SPBI膜中的离子簇作为模板原位生长TpTAPA-COF筛分网络与离子簇，以实现VRFB的高能效。离子簇模板通过将TAPA单体锚定到离子簇上形成于前驱体膜（SPBI/TAPA）中，通过与磺酸基团的强氢键相互作用实现。随后，前驱体膜与醛单体的溶剂热反应使COF与离子簇在受限条件下原位生长。独特的COF/离子簇共生微相均匀分散在膜中，具有6Å的多孔TAPA-COF和高达50 nm宽的离子传导通道，可以有效地筛选钒离子并促进质子传导。而且，仅含1wt %COF的SPBI/COF膜，在H+/Vn+离子选择性方面实现了明显提升，分别达到原始SPBI和Nafion 212的1.2倍和3.9倍。SPBI/COF膜在200 mA cm-2下，经过800次循环后仍保持约82.3%的高能效和稳定运行。 核心内容 1.SPBI/COF膜的化学和微观结构 本研究开发了一种基于COFs的离子传导膜（SPBI/COF）的新型制备策略，通过在离子簇模板中原位生长COFs实现（图1(a)）。含有TAPA和离子簇的前驱体SPBI/TAPA膜与Tp进行溶剂热反应，从而在SPBI膜中实现TpTAPA-COF的原位限域生长（SPBI/COF）。FTIR光谱证实了SPBI/COF的成功合成（图1(b)）。在SPBI/COF-1%复合膜的光谱中，Tp单体（C-H在2899

  第一作者：刘禹琨 通讯作者：李娟 通讯单位：山西大学 成果简介 能同时具备高离子选择性、出色的耐久性和低成本的离子交换膜（IEMs），对于全钒液流电池（VRFBs）的大规模商业化至关重要。带有接枝的–SO3H 基团的共价有机框架（COFs）展现出卓越的质子传导性和稳定性，但在混合基质膜（MMMs）中，非选择性孔隙和 COF 负载量受限仍阻碍其实际应用。山西大学李娟团队开发了一种创新策略，将热辊轧工艺与纳米通道工程相结合。通过后合成修饰和热轧技术，在基于聚苯并咪唑的 COFs 的孔壁内精确构建了三氟甲烷磺酸（CF3SO3H）官能团，成功制备了亚纳米级的 IEM。同时，孔壁上的–SO3H 和–CF3基团建立了连续且高效的质子传输路径，保持了 MMMs 出色的质子传导性。因此，在单电池测试中，80 wt%的 Ac-Tp-DABI-COF-MMM 表现出卓越的电化学性能，在 100 mA cm–2的电流密度下将能量效率（EE）提高到 83.4%。通过孔壁功能化实现的精确纳米通道工程策略，结合热辊轧工艺的固有可扩展性，为高性能液流电池离子交换膜的工业规模制造奠定了坚实基础，这有助于大规模储能系统的发展。 相关成果以“Covalent organic frameworks mixed-matrix membrane fabricated via hot-rolling for vanadium redox flow battery”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。 感谢山西大学李娟团队 （第一作者：刘禹琨）供稿！ 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 随着“双碳”目标推进，风电、光伏等间歇性可再生能源占比迅速攀升，亟需大规模、长时储能技术实现电力系统调峰调频。钒氧化还原液流电池（VRFB）因功率与容量解耦、循环寿命长、安全性高，被视为最有前景的GW级储能候选之一。然而，其核心部件——离子交换膜（IEM）仍面临“高质子传导，低钒渗透，低成本”三元矛盾：商用Nafion®膜钒渗透率大、成本>500 USD m⁻²，导致容量衰减快、系统经济性不足；烃基膜虽廉价，但无序孔结构和低功能基团密度使其难以同时实现高选择性与高电导。近年来，共价有机框架（COF）凭借规整的纳米通道、可设计孔径及丰富活性位点，成为构建下一代IEM的理想平台。然而，传统溶液浇铸法在高COF负载（>50 wt%）时极易发生团聚、界面缺陷和机械脆化，且孔径>1.5 nm时无法有效阻挡钒离子。因此，如何实现超高COF负载下的均匀分散、孔径亚纳米级精准调控及界面无缺陷成型，是推动VRFB膜走向低成本、高选择性的核心挑战。 本研究中，山西大学李娟团队提出“后合成酸化+无溶剂热辊”策略，在聚乙烯熔体中一次性完成80 wt% COF均匀分散与孔壁–SO3H锚定，构建了0.6 nm的亚纳米通道，实现>109 mS s cm–3离子选择性，在单电池测试中，100 mA cm–2的电流密度下将能量效率（EE）提高到 83.4%。为超高负载COF混合基质膜的工业放大提供了可行路径。 核心内容 1. COF以及混合基质膜的合成和结构 图1：Ac-Tp-DABI-COF及其混合基质膜的合成 （a）Tp-DABI-COF 和 Ac-Tp-DABI-COF 的合成路线。（b）Tp-DABI-COF-MMM 和 Ac-Tp-DABI-COF-MMM 的合成路线。（c）PE、Tp-DBAI-COF-MMM、Ac-Tp-DBAI-COF-MMM、Ac-Tp-DBAI-COF 和 Tp-DBAI-COF 的实验 PXRD 图谱。（d）PE、Tp-DBAI-COF-MMM、Ac-Tp-DBAI-COF-MMM、Ac-Tp-DBAI-COF 和 Tp-DBAI-COF 的 FT-IR 光谱。 研究团队通过溶剂热法合成了Tp-DABI-COF，随后通过酸化成功制备出Ac-Tp-DABI-COF，FT-IR，固态13C NMR、证实了酸化的成功改性和结构稳定。通过热辊压法制备成膜以后， PXRD 和 FT-IR 结果表明，通过热轧技术将Ac-Tp-DABI-COF整合到 MMM 中后，其核心晶体结构特征和框架的化学完整性得到了有效保持。   2. 混合基质膜微观形貌和热缩分析   图 2. 微观形貌 （a-e）不同COF负载量的 Tp-DABI-COF-MMM 的顶视扫描电子显微镜图像，以及（f-j）不同COF负载量的 Ac-Tp-DABI-COF-MMM 的图像（比例尺为 1 微米）。（k-o）不同COF负载量的 Tp-DABI-COF-MMM 的横截面扫描电子显微镜图像，以及（p-t）不同COF负载量的 Ac-Tp-DABI-COF-MMM 的图像（比例尺为 10 微米）。