October 25, 2026

第一作者：史博冉 通讯作者：王超 通讯单位：中北大学 工作简介 中北大学王超团队针对钒液流电池（VRFB）用两性离子交换膜长期存在的质子传导率与钒离子阻隔性难以兼顾的瓶颈问题，提出了一种基于离子–偶极介导协同锚定的创新策略。该工作将对三联苯–哌啶主链中部分单元替换为带有柔性2-(2-乙氧基乙氧基)乙基（C6O2）侧链的咔唑共聚单元，并进一步接枝烷基磺酸侧链，构建了两性离子交换膜。其中，醚氧原子与哌啶阳离子通过离子–偶极相互作用结合，配对的磺酸基团被带入邻近区域，形成协同锚定网络，有效限制了离子域由水合驱动的链段运动，在抑制宏观溶胀的同时保持了亲水通道的连通性。所得PTP-CzC6O210%-BS膜实现了质子传导率135 mS cm⁻¹、面电阻0.34 Ω cm²、钒离子渗透率显著降低的优异综合性能。VRFB单电池在260 mA cm⁻²下库仑效率达99%、能量效率达71%，并在300次循环中保持稳定运行。该研究从分子层面揭示了离子–偶极介导协同锚定在抑制膜溶胀与维持离子选择性传输中的主导作用，为高性能离子交换膜的分子设计提供了新思路。 相关成果以:Swelling-resistant amphoteric ion exchange membranes via ion–dipole mediated cooperative anchoring: synergistically improved proton conductivity and vanadium rejection为题发表在Separation and Purification Technology期刊上。 感谢中北大学王超团队（第一作者:史博冉）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》 【论文奖励】2026年8月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年7月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年5~6月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年4月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年3月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年2月液流电池论文奖励清单！ 研究背景 钒液流电池（VRFB）凭借本征安全、长循环寿命和设计灵活等优势，在大规模储能领域备受关注。离子交换膜作为VRFB的核心部件，承担着隔离正负极电解液防止短路、同时导通质子完成电化学回路的关键功能。长期以来，以Nafion为代表的全氟磺酸膜因优异的质子传导率和化学稳定性被广泛研究。然而，其宽大的亲水离子通道在促进质子快速传输的同时，也为水合钒离子提供了畅通的渗透路径，导致严重的电解液交叉污染和电池容量衰减。降低离子交换容量或制备复合膜虽可在一定程度上缓解钒渗透，却不可避免牺牲质子传导率，形成传统膜材料中高传导与高选择难以兼得的固有矛盾。 两性离子交换膜因同时引入阳离子和阴离子基团而受到关注。理论上，带正电荷的季铵基团可静电排斥同价态钒离子，带负电荷的磺酸基团则保障质子传导，有望突破传统单电荷膜的“传导–选择“权衡极限。然而，目前两性膜主要采用侧链接枝或酸碱共混策略引入双离子基团，亲水相在吸水后溶胀失控，导致尺寸稳定性差、离子通道无序扩张，反而加剧钒离子渗透。其根本原因在于缺乏对离子域在分子层面的有效约束手段。针对上述难题，本研究提出一种离子–偶极介导协同锚定策略，通过醚氧与哌啶阳离子的特异性相互作用，在分子尺度上锚定离子域、抑制其水合摆动，实现质子高效传输与钒离子有效阻隔的协同。 核心内容 通过多维度表征系统验证了离子–偶极介导协同锚定的成功构筑。首先，¹H NMR证实了目标聚合物的化学结构：PTP-BS在1.0–3.5 ppm出现丁烷磺酸侧链新峰，约9.5 ppm处出现磺酸基质子信号；PTP-CzC6O210%-BS在约1.3 ppm和4.0–4.5 ppm处出现C6O2侧链特征峰，磺化后谱图变化与PTP-BS一致，积分面积与理论值吻合。二维NOESY实验进一步揭示了官能团间的空间邻近关系：所有膜均显示哌啶环N⁺邻位质子与磺酸侧链亚甲基质子的交叉峰；PTP-CzC6O210%-BS额外观察到醚氧质子与磺酸基团附近质子的交叉峰，表明柔性醚链弯曲包裹离子域，醚氧与哌啶阳离子形成离子–偶极相互作用，配对的磺酸根被带入邻近区域；而PTP-CzC610%-BS中烷基链末端–CH₃与磺酸质子的交叉峰极弱，说明纯疏水己基链缺乏特异性相互作用。 图1. (a) 展示PTP-CzC6O210%-BS合成过程及醚键与两亲性官能团之间离子–偶极相互作用的机制示意图；(b) PTP-BS; […]