August 15, 2026

第一作者：杨乐 通讯作者：陈嘉嘉 通讯单位：西南大学，厦门大学 DOI：10.1002/batt.70417 感谢厦门大学陈嘉嘉团队（第一作者：杨乐）校稿！ 工作简介 离子交换膜（IEMs）是流动电化学装置的关键组成部分，在离子传导、电荷平衡以及阳极与阴极之间活性物质的分离过程中发挥着至关重要的作用。因此，IEMs必须具备高的离子电导率和优异的选择性；此外，它们还需在复杂的溶剂环境中保持较高的化学稳定性，这要求对其化学组成和结构进行审慎的设计与选择。IEMs的性能直接决定了其所集成的电化学器件的整体效率与耐久性。近年来，研究重点集中于优化膜的结构与组成，以调控其性能。例如，可通过修饰聚合物主链/侧链、引入无机填料、构建多孔骨架，以及实现多离子传输机制而非单离子传导等方式来实现此目标。这些策略均建立在对离子交换膜微观结构与宏观性质之间关系的深入理解基础上，并有助于构建一个将微观结构设计、膜特性与器件级性能相联系的系统关联模型。 《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 研究背景   离子交换膜（IEMs）是流动电化学装置的关键组成部分，在离子传导、电荷平衡以及阳极与阴极之间活性物质的分离过程中发挥着至关重要的作用。因此，IEMs必须具备高的离子电导率和优异的选择性；此外，它们还需在复杂的溶剂环境中保持较高的化学稳定性，这要求对其化学组成和结构进行审慎的设计与选择。IEMs的性能直接决定了其所集成的电化学器件的整体效率与耐久性。近年来，研究重点集中于优化膜的结构与组成，以调控其性能。例如，可通过修饰聚合物主链/侧链、引入无机填料、构建多孔骨架，以及实现多离子传输机制而非单离子传导等方式来实现此目标。这些策略均建立在对离子交换膜微观结构与宏观性质之间关系的深入理解基础上，并有助于构建一个将微观结构设计、膜特性与器件级性能相联系的系统关联模型。 核心内容 1.CEM 阳离子交换膜（CEMs）作为离子选择性分离技术的核心组件，通常基于高离子电导率、高离子选择性和低运行成本等关键性能指标进行评估。目前应用的离子交换膜可大致分为两大类：全氟磺酸膜（如Nafion系列）与烃基离子交换膜。全氟磺酸膜凭借卓越的化学稳定性和质子传导效率，在水系电化学装置中展现出优异性能；然而，高昂的原材料及制造成本限制了其在大规模工业领域的应用。相比之下，烃基离子交换膜在材料来源和生产成本方面具有显著的经济优势，但应用范围往往受限于机械强度较低、溶胀度较高或电导率不足等问题。为解决两种膜材料在特定应用场景下存在的性能–成本权衡问题，研究人员持续致力于通过改性策略提升其综合性能，以期满足不同系统对耐久性、选择性及经济可行性等方面的多样化需求。 近期的改性研究主要聚焦于两大策略方向：化学结构调控与微观结构优化。在化学改性方面，通过在聚合物主链或侧链中引入特定官能团（如磺酸基和胺基），可有效调控膜的电荷密度、亲水性及化学稳定性，从而提升其离子传输能力与抗污染性能；另一方面，借助定制化纳米通道、表面图案化、多层复合等手段进行结构优化，能够构建更高效的纳米级离子传输通道，进而促进动态且选择性的离子渗透过程。例如，调控交联剂的功能特性可促进膜内形成更为有序的亲水–疏水相分离结构，显著改善离子选择性和抗溶胀性能。而且，新兴的改性方法，如等离子体处理、紫外光诱导交联以及无机纳米颗粒（如银纳米颗粒）的掺入已在增强膜表面特性、抗菌性能及长期运行稳定性方面展现出巨大应用潜力。系统性改性策略不仅深化了对膜材料中结构–性能关系的理解，也为CEMs在电渗析脱盐、能量存储与转换以及重金属去除等大规模工艺中的性能提升与创新应用奠定了坚实基础。 1.1用于发电装置的CEMs结构设计 燃料电池是一种能量转换装置，可持续地将燃料的化学能转化为电能。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因高效率、低污染排放及易于规模化生产等优势，被视为最具前景的能量转换技术之一。作为PEMFCs的核心组件，CEMs主要功能是传导阳离子并防止燃料交叉渗透。Nafion膜作为一种典型的全氟磺酸（PFSA）膜，在PEMFCs中得到广泛应用，这归因于其独特的亲水–疏水纳米相分离结构、高质子导电性、优异的机械性能以及显著的化学稳定性。然而，当前最先进的质子交换膜仍面临诸多挑战，如工作温度范围较窄（0–80 °C）、成本较高、耐久性不足以及显著的燃料渗透性等问题，阻碍了PEMFCs的进一步发展。因此，从结构设计角度出发拓展其实际应用的策略已成为该领域研究热点。 当溶剂分子渗透至聚合物基质时，Nafion膜会发生溶胀，导致膜内微孔扩张，进而使燃料分子能够渗透至燃料电池的另一侧，不仅缩短了燃料电池的循环寿命，而且严重损害了安全性。近期，研究人员提出了一种无机杂化策略，该策略涉及将无机填料掺入Nafion的孔隙中，以调控其微观结构并抑制分子渗透。然而，实现填料的精确掺杂仍面临挑战，因为研究表明填料的随机分布会严重损害膜的机械性能。为解决此问题，研究者通过静电作用和氢键相互作用，将聚氧金属酸盐（POMs）精准引入Nafion的离子相中，从而有效优化了PEMs的亲水/疏水纳米相结构（图1a）。与重铸Nafion（RN）相比，Nafion-Bi12-3%膜的甲醇渗透率显著降低（图1b）。此外，该膜的质子电导率为0.386 S cm−1（80 ℃），明显优于RN膜。同时，功率密度达到110.2 mW cm−2，较RN膜提升了200%（图1c）。 图1 (a)混合PEM内的质子传导机制；(b)混合膜的选择性评估；(c)RN与Nafion-Bi123%膜在直接甲醇燃料电池（DMFC）中的性能；(d)硫化微孔聚合物膜的分子结构；(e)IPC-COF膜的组装过程及刚性结晶纳米通道结构示意图；(f)单电池功率密度与质子电导率的对比；(g)TB聚合物的不同结构形式；(h)4种TB聚合物的孔径分布；(i)DMBP-TB/PA MEAs的峰值功率密度 尽管Nafion膜在各种电化学装置中得到了广泛应用，但其高昂的商业成本（约500美元/平方米）阻碍了相关技术的进一步发展。为降低成本，膜研究领域致力于开发基于烃类的聚合物膜。例如，本征微孔聚合物（PIMs）为离子交换膜的设计提供了新的平台，其分子级明确的孔结构和聚合物的尺寸筛分效应可实现快速且高选择性的离子传输。与大多数聚焦于PIM的研究不同，研究人员合成了一种具有刚性扭曲主链的新型磺化PIM聚合物（图1d）。该膜利用主链内固有的疏水氟化基团和亲水磺酸基团，形成了大量带负电荷的受限亚纳米级离子通道，从而有效抑制了溶胀现象。制备的SPX-BP-0.95膜显示出180 mS cm−1的质子电导率；因此，采用该膜组装的H2/O2PEMFC电池可输出370mW cm−2的功率。 此外，诸如Nafion等PFSA膜的质子传导率高度依赖于湿度和温度，主要归因于磺酸基团与氢离子之间的强静电相互作用。通常，Nafion膜依赖于水合氢离子通过连续的亲水性微孔通道进行质子传导；因此，它们在低湿度条件下电导率会急剧下降，从而对燃料电池的循环性能产生不利影响。另一方面，由柔性聚电解质构成的传统PEMs在高湿度环境中易发生水溶胀，导致机械完整性受损。为克服基于PFSA的质子交换膜的固有缺陷，Jiang等人开发了一种基于结晶多孔离子化共价有机框架（iCOFs）的新型PEM（图1e）。该材料内部的刚性结晶纳米通道通过虹吸效应增强了水的保留能力并促进了膜的水合过程，从而能够实现跨不同湿度条件下的高效质子传输。由此制得的磺化NUS-9材料具有刚性的质子传导通道，并能在较宽的相对湿度范围（30%–98%）内保持较高的质子电导率。采用这种iCOF-PEM组装的燃料电池实现了最高的功率密度，达到1.1 W cm−2（图1f）。 有限的工作温度范围仍是当前燃料电池中使用的PEM面临的关键挑战。采用完全水合PFSA膜的PEMFC通常需要在狭窄的温度窗口内（80–90 °C）运行，以平衡质子传导率与机械强度。相比之下，非湿化的磷酸（PA）掺杂聚电解质膜（例如聚苯并咪唑（PBI）/PA体系）可在较高温度下（140–180 °C）运行，从而避免因水分冷凝导致PA浸出而引起的低温下电导率下降。尽管两种膜在各自的温度窗口内均能稳定运行，但它们都存在固有局限性：例如，用于车辆的基于PFSA的PEMFC需要复杂的热管理和水管理系统；而PBI/PA膜则会因不可避免的水分冷凝，在频繁启停循环过程中出现PA损失及随之而来的电导率下降。因此，开发能够结合两种系统优势并在较宽温度范围内稳定运行的新型PEM，对于推进燃料电池的商业化至关重要。为应对此挑战，Li等人通过将具有内在微孔结构的刚性聚合物与PA型质子导体相结合，设计出一种PA掺杂的本征超滤膜（图1g）。该膜基于具有高自由体积的Tröger碱衍生物聚合物，其具有连续的超细多孔结构（平均孔径为3.3Å）（图1h）。该结构产生的虹吸效应可增强PA的截留能力（在水合状态下截留率>95%），确保其在−20至200 °C范围内稳定运行，并促进低温下的质子传输。DMBP-TB膜实现了815mW cm−2的峰值功率密度；在15 °C条件下经过150次启停循环后，仍能保持其初始峰值功率密度的95%，标志在兼顾宽温域操作性能与耐久性方面取得的重大突破（图1i）。 近期研究进展进一步凸显了超氢键网络在稳定PA基质及增强高温PEM中质子传输方面的关键作用。例如，Yang课题组证实将π共轭二苯并呋喃单元嵌入咪唑功能化聚三苯乙烯共聚物中，可通过呋喃醚键引入额外的氢键/PA结合位点，同时通过共轭效应增加咪唑氮原子上的电子密度。双重效应强化了超氢键结合的PA结构，使燃料电池的峰值功率密度达到1085 mW cm−2。作者还将二苯并-18-冠-6醚单元引入聚芳香吡啶主链中，其中冠醚氧原子可作为多齿氢键受体，锚定PA分子。该设计促进了微相分离与连续离子通道的形成，在180 °C下实现了0.138 S cm−1的质子电导率，验证了富含杂原子且构象扭曲的构建单元在强化超氢键网络方面的效能。 1.2化学燃料生产用CEMs的结构设计 实现高效水电解对于推动低成本制氢产业的发展至关重要。然而，电解槽的核心部件PEM的性能仍受到两大基础性挑战的制约：一是持续存在的可能危及运行安全的氢离子穿膜风险；二是对高质子电导率的严苛要求，目的是最大限度降低能量损耗。为克服这些局限性，目前正成功地将燃料电池中适用于IEM的改性策略应用于水电解制氢用的IEM。 图2(a)基于SPAES的PEMWE装置示意图；(b)SPAES50的合成过程；(c)基于SPAES和基于Nafion的PEMWE装置的极化曲线；(d)PEMWE装置及嵌段共聚物的示意图；(e)多嵌段共聚物的合成示意图；(f)此研究的性能排名；(g)接枝（G-sPSS-X）的结构及基于高磺化芳香族接枝PEM的PEMWE装置的示意图；(h)PEMWE装置在1000 mA cm−2下的单电池性能；(i)电流密度与已报道数据的对比 全氟磺酸聚合物，尤其是Nafion，仍是水电解过程中最广泛使用的膜材料。然而，这类材料存在固有缺陷，包括合成成本高以及因其微相分离结构而产生的显著气体渗透效应。为解决这些局限性，Sung等人报道了磺化聚芳醚砜（SPAES）的合成方法，是一种兼具优异成膜性能与简便合成工艺的膜材料（图2a）。引入磺酸基团提供了丰富的质子传输位点（图2b），从而赋予该聚合物较高的质子电导率。具体而言，SPAES50的离子电导率为112.3 […]

第一作者：孙若晴 通讯作者：曹剑瑜&王永刚 通讯单位：常州大学&复旦大学 DOI：10.1016/j.mtener.2026.102376 感谢常州大学曹剑瑜团队（第一作者：孙若晴）校稿！ 工作简介 本文报道了一种通过甲酸盐辅助电化学处理制备的纳米结构铜泡沫（Cuf），该材料可调控晶体晶面取向，旨在提升吩嗪的氧化还原反应动力学。系统筛选确定了最佳条件：5wt%甲酸钠和pH=10能增强高活性Cu(110)晶面的暴露程度，相对织构系数为15.8%。晶面重构的Cuf（FR-Cuf）表现出更优的亲水性及纳米结构形貌。密度泛函理论计算表明Cu(110)晶面对吩嗪物种展现出优于其它晶面的BHPC吸附能（−7.98eV）。FR-Cuf在50%SOC下可达到229.3mW cm⁻²的峰值功率密度，在80mA cm⁻²下EE高达76.6%，优于原始Cuf。长期循环测试显示电极具有卓越的耐久性，可完成超过500次循环，每个循环的衰减率仅为0.0088%。Cuf电极还表现出独特的“自活化”效应：吩嗪物种的持续氧化还原循环可进一步优化晶面结构并增加活性表面积。配备FR-Cuf的AORFB电池经自活化后，实现了更高的EE（77.93%）及近乎零的容量衰减。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 吩嗪衍生物因适宜的氧化还原电位、高水溶性、良好的化学/电化学稳定性、水溶液中的双电子转移动力学以及简便的合成路线而尤为引人注目。然而，大多数吩嗪化合物的电荷转移动力学较醌类或紫精类化合物更为缓慢。例如，通过旋转圆盘电极伏安法测得一种结构稳定的吩嗪电解质——4,4’-(吩嗪-2,3-二基双（氧基）)二丁酸（2,3-O- DBAP）在玻碳电极上的电子转移动力学常数（k₀）仅为2.7×10⁻⁴ cm s⁻¹，比氮氧自由基化合物TEMPTMA（4.2×10⁻³ cm·s⁻¹）和醌类物质AQDS（7.2×10⁻³ cm·s⁻¹）低一个数量级以上，表明具有准可逆的氧化还原特性。吩嗪化合物缓慢的氧化还原反应动力学会导致较高的过电位和显著的能量损耗，最终会损害电池的电压/能量效率、功率密度及倍率性能。 核心内容 图1.(a)经过不同浓度甲酸钠（SF）溶液电化学处理的Cuf电极及其原始Cuf（PCuf）的归一化XRD谱图；(b)在不同浓度SF溶液中处理的Cuf电极的相对织构系数，以及电极上BHPC/BHP甲烯氧化还原反应对应的氧化峰电流密度（基于电极几何面积）；（c–e）P-Cuf和面重构Cuf（FR-Cuf，f–h）的FE-SEM图像；(i)P-Cuf与(j)FR-Cuf的水接触角 经不同SF浓度处理的Cuf样品的XRD衍射图谱在2θ=43.23°、50.42°和74.09°处显示出三个明显的衍射峰，分别对应面心立方（fcc）铜相的(111)、(100)和(110)晶面。将强度归一化至Cu(111)参考值后，所有经SF处理的Cuf样品在(100)和(110)晶面上的相对强度均较原始Cuf（P-Cuf）有所增强。 经5wt% SF溶液处理的Cuf样品获得了最高的RTC(100)和RTC(110)，分别为28.8%和15.8%；其次是经2wt% SF处理的Cuf样品，RTC(100)和RTC(110)分别为26.9%和15.5%。同时，5wt% SF处理的Cuf样品表现出最强的氧化峰电流密度，达到5.2mA cm⁻²；而原始Cuf、1wt% SF处理的Cuf、2wt% SF处理的Cuf及10wt% SF处理的Cuf的jp，ox分别为1.3、4.6、5.0和3.2mA cm⁻²。而且，jp，ox与RTC(110)呈现强相关性，即RTC(110)越高，催化电流强度越大。 P-Cuf的SEM图像显示具有由光滑铜骨架（厚度约50μm）构成的三维（3D）互连网络，其中大孔尺寸范围为100–300μm。而经过优化的电极（pH=10, 5wt% SF）FR-Cuf虽保留了此3D框架结构，但表面变得明显更为粗糙，表明表面纳米结构化过程的发生。 此外，水接触角测量结果显示，接触角从133.3°（P-Cuf）降至126.8°（FR-Cuf）。疏水性显著降低（相对更亲水），可能归因于表面存在配位的甲酸根离子，从而促进了界面电化学反应过程中水溶性吩嗪类物质的传质过程。 图2.(a)通过DFT计算获得的BHPC和BHPCH₂在Cu(111)、Cu(100)及Cu(110)晶面上的吸附能；(b)与(c)分别为BHPC和BHPCH₂在不同晶面上的吸附能对比图；(d)BHPC（2mM）在1MKOH溶液中，于P-Cuf和FR-Cuf电极上以25mV s⁻¹扫描速率下的CV曲线；(d)中的插图展示了两电极的实物照片；(b)基于时程电流法曲线外推得到的t=0s时刻绝对电流值随过电位变化的曲线，分别对应P-Cuf和FR-Cuf电极 DFT）计算的吸附能显示BHPC在Cu(100)晶面上的吸附能为−3.72eV，略低于其在Cu(111)晶面上的吸附能（−3.60eV）。而且，BHPC在Cu(110)晶面上的吸附能达到−7.98eV，优于其他两种晶面。BHPCH₂的吸附能在三种晶面上也呈现类似的趋势。结果表明，Cu（110）表面对吩嗪及其还原产物具有优异的结合亲和力，促进了电荷转移和电化学反应性。 FR-Cuf和P-Cuf电极的CV曲线显示两种电极均显示出一对清晰可辨的氧化还原峰，对应BHPC/BHPCH₂的可逆电化学反应。作为对比，FR-Cuf电极的峰电流密度显著增强（约为P-Cuf的4倍），而峰电位差（ΔE）仅为87mV，远低于P-Cuf的326mV，表明电化学可逆性大幅改善且动力学更为迅速。 图3.使用P-Cuf和FR-Cuf电极的BHPC/K4[Fe(CN)₆]的AORFB电池的电池性能曲线 电流–电压曲线线性拟合得出的面电阻（ASR）与P-Cof电池（分别为2.85Ωcm2和2.70Ωcm2）相比，FR-Cuf电池（充电时为1.87Ωcm2，放电时为1.78Ωcm2）明显较低。ASR的降低凸显了FR-Cuf电极所具备的优异电荷转移与质量传输动力学特性。此外，80mA cm⁻²时测得的电压–容量曲线表明采用FR-Cuf阳极的电池可显著减小充放电支路间的电压滞后。该FR-Cuf电池还实现了更高的可逆容量，达4.66Ah L⁻¹，而P-Cuf电池的可逆容量仅为3.21Ah L⁻¹，进一步验证了其增强的电催化性能。 此外，在所有电流密度下，采用FR-Cuf阳极的电池均比采用P-Cuf的对照电池表现出更高的容量。在20mA cm⁻²时，FR-Cuf电池的循环容量达到5.12Ah L⁻¹，相当于理论最大值的95.5%。当20mA cm⁻²增至100mA cm⁻²时，FR-Cuf电池的循环容量仅轻微下降，从5.12Ah L⁻¹降至4.98Ah L⁻¹；而P-Cuf电池的容量则显著下降。并且，当恢复至20mA cm⁻²时，FR-Cuf电池几乎能恢复其初始容量，而P-Cuf电池则无法恢复。结果表明采用FR-Cuf阳极的AORFB电池具有优异的倍率性能和电化学可逆性。FR-Cuf电极还显著提升了电池的EE。两者的CE均随电流密度的增加而提高，是由于较短的循环周期减少了自放电所致。在20mA cm⁻²下，FR-Cuf电池的CE达到99.23%，高于P-Cuf电池的99.08%。在更高电流密度下，两者的CE几乎持平。在整个电流密度范围内，FR-Cuf电池均展现出显著更高的EE。优异性能最终使其在50% SOC时实现了229.3mW cm⁻²的峰值功率密度，比P-Cuf电池的141.4mW cm⁻²高出约63%。 图4.分别采用P-Cuf和FR-Cuf阳极的BHPC//K4[Fe(CN)₆]