第一作者：班涛
通讯作者：朱秀玲
通讯单位：大连理工大学
芳香族聚合物膜因其成本效益和优异的机械性能，在钒液流电池领域展现出商业潜力，但其离子选择性不足和化学稳定性欠佳阻碍了实际应用。大连理工大学朱秀玲教授团队通过将含氟聚（芳基吡啶）混入磺化的三碟烯支化聚（芳基靛红），成功构建了两性离子膜（SPTIP/PFNP-x），实现了两者互补优势的协同整合。研究表明，磺酸基团与吡啶鎓基团间的阳离子–阴离子相互作用形成致密氢键网络，而三碟烯立体结构则扩展了聚合物链自由体积。这种双重优化机制实现了高效的电荷平衡离子传输。同时，离子交联结构结合质子化吡啶鎓产生的唐南效应有效抑制了钒离子渗透，从而获得卓越的离子选择性。此外，三碟烯支化结构与两性离子相互作用形成的双重交联，配合化学稳定的无醚主链及吡啶鎓离子基团，赋予膜材料增强的机械与化学稳定性。优化后的膜使钒液电池在200 mA cm-2条件下实现83.1%的能量效率，并展现出优异的循环稳定性（120 mA cm-2下完成2000次循环，且在300 mA cm-2下仍可稳定循环500次）。
相关成果以“Functional Integration in Tailored Polymers Enables Zwitterionic Membranes with Selective Ion Transport and Enhanced Stability”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。
感谢大连理工大学朱秀玲团队
（第一作者：班涛）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
大量研究致力于开发具有成本效益的芳香族离子交换膜，例如：磺化的阳离子交换膜和季铵化的阴离子交换膜。然而，这些传统膜存在固有缺陷：阳离子交换膜虽凭借高效的质子传输实现高离子传导率，但钒离子渗透严重；相比之下，阴离子交换膜通过唐南效应能有效阻隔钒离子渗透，却常表现出不理想的离子传导率。因此，兼具阴、阳离子交换基团的两性离子膜，被视为解决这一性能矛盾的有效方案。但现有的两性离子膜的制备方法主要采用季铵盐和磺酸基团作为离子功能单元，这将面临影响电池性能的新问题：一方面，带正电的季铵基团会阻碍质子传导，导致膜的离子传导率降低，进而限制电池工作电流密度；另一方面，正、负电基团间的强静电相互作用常在制膜过程中引发聚合物聚集或沉淀，造成结构缺陷，导致运行中的电池出现高自放电率、快速容量衰减和循环稳定性下降等问题。另一关键科学挑战在于开发具有优异化学和机械稳定性的膜材料，以耐受全钒液流电池的苛刻运行环境，包括长期暴露于强酸性、强氧化性电解液以及碳毡压缩引发的机械应力。传统的含芳醚聚合物膜因离子基团引入导致的电子密度重分布，本质上易发生氧化降解。通过超强酸催化傅克烷基化反应合成的无醚芳香族聚合物，在燃料电池和水电解中展现出卓越稳定性，为全钒液流电池提供了有前景的替代方案。然而，其在钒液流电池应用中面临特定挑战：多数已报道结构采用脂肪族酮类单体，虽在碱性条件下稳定性优异，但在H⁺/VO2⁺环境中仍易降解。尽管存在这些障碍，通过对这类无醚结构进行定向分子设计，有望开发出能满足钒液流电池系统严苛要求的突破性膜材料。
本研究通过分子结构设计及共混策略开发了一类兼具磺酸和吡啶鎓基团的无醚两性离子膜（SPTIP/PFNP-x）（图1）。合理设计的分子结构具有两项创新：1) 无醚磺化的支型聚（芳基靛红）（SPTIP）是将阳离子传导侧链引入化学稳定的支型聚（芳基靛红）主链上，其三维立体结构的三碟烯单元可协同增强自由体积以促进离子传输，同时提供机械增强；2) 无醚含氟聚（芳基吡啶）（PFNP）是结合氟取代基与无弱键的吡啶基团，确保卓越化学稳定性，且吡啶单元的中性特性进一步促进了其与离子聚合物基质的共混相容性。通过优化制备工艺，所得两性离子膜综合了两种组分的优势，实现了钒离子渗透性与离子传导率间的协同优化。此外，由离子交联和支化结构构成的双重稳定机制，赋予了膜材料出色的机械强度和化学稳定性。当该两性离子膜应用于全钒液流电池时，展现出卓越的能量效率和长期循环耐久性。
图1. 制备两性离子膜的分子工程策略。图中展示了所设计聚合物的化学结构及膜中阳离子–阴离子相互作用的机制
1.高传导性磺化聚（芳基靛红）膜的设计逻辑
通过超强酸催化的Friedel-Crafts聚缩合反应合成了聚（芳基靛红）（PIP）和三碟烯支化聚（芳基靛红）（PTIP-x，其中x表示三碟烯相对于总芳基单体的理论摩尔百分比）。经后续磺化反应得到相应的磺化聚合物，分别命名为SPIP和SPTIP-x。通过核磁共振氢谱和傅里叶变换红外光谱证实了目标聚合物的化学结构，并实现了对支化度与磺化程度的精准控制。SPTIP-x膜的吸水率随三碟烯含量增加呈先升高后降低的趋势，其中SPTIP-5达到最大值36.7%。尽管线性SPIP膜的溶胀度为8.0%，但具有更高吸水率的三碟烯支化结构的SPTIP-x膜反而表现出更低的溶胀度（3.4%-7.5%）。这归因于三碟烯基元的双重功能：既通过引入额外自由体积促进水分子吸收，又作为支化交联点增强膜的尺寸稳定性。质子传导率测试进一步凸显了SPTIP-x膜的优越性，SPTIP-5的传导率最高且高达93.3 mS cm-1。基于其优化性能，本文选择SPTIP-5（下文统称SPTIP）进行后续研究。
图2. 分子结构及纳米尺度表征。（a）SPIP与（b）SPTIP的结构单元、三维表示及其模拟无定形晶胞。（c）SPIP与 SPTIP 在273 K 下的 CO2吸附–脱附等温线（实心符号：吸附；空心符号：脱附）。原子力显微镜相图揭示了（d）SPIP与（e）SPTIP的纳米相分离形貌，其中蓝色与红色区域分别对应亲水性离子团簇与疏水性聚合物域
通过多尺度联合表征揭示了SPTIP膜卓越质子传导性的机制。对比结构分析表明，三碟烯单元的引入诱导聚合物链发生构象重组（图2a,b）。分子动力学模拟表明：虽然SPIP与SPTIP均保持空腔结构，但经三碟烯修饰的SPTIP其自由体积增加了10.6%，表明支化结构优化了分子堆积。N2吸附测试为这些结构改变提供了实验验证：尽管两种材料的N2吸附容量较低，但SPTIP具有增强的气体吸附量和更宽的孔径分布。这种普遍的低N2吸附现象可归因于磺酸基团间氢键作用增强的聚合物链间内聚力。值得注意的是，两种膜在273 K下均保持可观的CO2吸附量，说明三碟烯诱导形成了更高的自由体积，且磺酸基团与CO2分子间存在有利的极性相互作用（图2c）。观测到的吸附–脱附滞后现象证实了非连通微孔的存在。X射线衍射分析表明SPTIP具有明显大于SPIP的d间距，与其增强的气体吸附行为一致。原子力显微镜显示：相较于SPIP膜，SPTIP膜形成了更连续、更均匀的微相分离形貌（图2d,e）。这些结果共同证明：三碟烯的引入可协同增强自由体积特性与微相分离，促进形成连通性良好的离子传导路径，最终实现卓越的传导性。
2. 两性离子膜的制备与表征
含氟聚（芳基吡啶）（PFNP）通过超强酸催化Friedel-Crafts聚缩合反应合成，其化学结构经1H NMR和19F NMR验证。随后，通过调节铸膜液中SPTIP与PFNP的质量比，制备了一系列两性离子膜（SPTIP/PFNP-x，其中x表示PFNP的质量百分比）。X射线光电子能谱分析显示，SPTIP/PFNP-x膜中出现特征性的F 1s峰，证实PFNP成功复合至基质中（图3a）。高分辨率N 1s谱进一步揭示了膜内的化学环境（图3b-e）：SPTIP膜仅在400.4 eV处显示归属于靛红N的单峰，而SPTIP/PFNP-x膜则额外在399.2 eV（吡啶C=N–C）和401.7 eV（吡啶鎓N）处出现两个新峰，明确证实磺酸基与吡啶基团通过阳离子–阴离子相互作用形成了离子对。吡啶鎓N峰（401.7 eV）强度随PFNP含量增加而持续增强，表明相互作用强度可调。两性离子膜形成后，磺酸基团的S 2p结合能发生系统性负移，为上述相互作用提供了进一步支持。此外，红外光谱分析确认了SPTIP的化学结构（图3f），其特征吸收包括1702 cm-1处靛红C=O伸缩振动，以及1159 cm-1和1030 cm-1处分别对应磺酸基S=O对称与不对称振动。重要的是，两性离子膜在1638 cm-1处出现归属于吡啶鎓C=N⁺伸缩振动的新吸收带，且其强度随PFNP含量增加而逐步增强，为两性离子膜的成功制备提供了证据。
图3. SPTIP及SPTIP/PFNP-x膜的结构表征。（a）SPTIP、SPTIP/PFNP-10、SPTIP/PFNP-30和SPTIP/PFNP-50膜的XPS全谱及（b-e）高分辨率N 1s XPS谱。（f）SPTIP与SPTIP/PFNP-x膜的FTIR谱图。（g）SPTIP膜表面SEM图像（插图为实物照片）及（h）截面SEM显微图。（i）SPTIP/PFNP-30膜表面SEM图像（插图为实物照片）、（j）截面视图及（k）EDS元素面分布图
SPTIP与SPTIP/PFNP-x膜均呈现光滑透明的宏观形貌，且随着PFNP含量增加，光学透明度逐渐下降。扫描电子显微镜（SEM）结果显示，所有膜均保持均匀致密的微观结构，未观察到相分离或聚集现象。为探究两性离子共混对形貌的影响，对SPTIP与SPTIP/PFNP-30膜进行了对比SEM分析。图像显示两种膜均具有结构均一的表面与截面，未检测到孔洞或缺陷，表明SPTIP基体与PFNP添加剂具有优异的相容性（图3g-j）。通过能量色散X射线光谱进行的元素面分析进一步证实了这种均一性：两种膜中的C、N、S、O元素均呈均匀分布（图3k）。更重要的是，SPTIP/PFNP-30膜中还显示出均匀分散的F元素信号，表明PFNP已成功且均匀地融入膜内，未发生相分离或聚集。
3. 理化性能及离子选择性传输
图4. 理化性质与离子传输行为表征。（a）吡啶与磺酸基团的静电势分布计算。（b）SPTIP/PFNP-10、SPTIP/PFNP-30与SPTIP/PFNP-50膜的AFM相图。（c）室温下3.0 M H2SO4中的电解液吸收率与溶胀率。（d）水合状态下的应力–应变曲线。（e）VO2+的紫外–可见吸收光谱及（f）在40℃、0.1 M VO2+ + 3.0 M H2SO4溶液中化学稳定性测试后的VO2+还原率。（g）SPTIP/PFNP-30膜稳定性测试前后的FTIR谱图对比。（h）SPTIP、SPTIP/PFNP-x与Nafion 212膜在室温3.0 M H2SO4中的面电阻。（i）质子传导的Arrhenius曲线及相应活化能
密度泛函理论计算揭示了磺酸基与吡啶基团间显著的静电势差异：磺酸基氢原子呈现正电势（+0.093 a.u.），而吡啶氮原子则显示负电势（−0.063 a.u.）（图4a）。这种明显的极性差异明确证实了PFNP与SPTIP之间存在强离子相互作用。在这些阴离子–阳离子对中，PFNP作为质子受体，促进了局部亲水离子团簇的形成。AFM相图进一步印证了SPTIP与SPTIP/PFNP-x膜中均存在明确的亲水/疏水微相分离（图2e与图4b），其中蓝色与红色区域分别对应亲水域（包含磺酸与吡啶鎓团簇）和疏水聚合物主链。相比之下，两性离子膜中的亲水域分布更为受限，表明阴离子–阳离子相互作用有效将大尺寸离子团簇解离为更小尺寸的离散聚集体。为定量评估这一结构演变，系统分析了亲水域尺寸分布：SPTIP膜呈现较大的亲水域（23.9 nm），而两性离子膜的域尺寸随吡啶含量增加逐渐减小（11.3-18.3 nm）。这一明确的结构–性能关系证实吡啶引入可作为调控微相分离形貌的有效分子设计策略。
膜的电解质吸收率（EU）与溶胀度（SR）是同时决定离子传输效率与机械稳定性的关键参数。如图4c所示，随着PFNP含量系统增加，EU（从37.4%降至28.6%）与SR（从9.2%降至4.3%）均呈现单调下降趋势，且性能优于SPTIP膜。这一改进源于形成了可实现均匀电解液吸收的明确亲水离子通道，同时SPTIP与PFNP链间建立的离子交联网络构成了致密且尺寸稳定的结构。增强的尺寸稳定性直接关联于机械强度：所有干膜的抗拉强度均显著高于Nafion 212（17 MPa）。具体而言，SPTIP膜达到52.6 MPa，而SPTIP/PFNP-x膜的抗拉强度随PFNP含量增加逐步提升（59.3-89.9 MPa）。这种机械增强效应可归因于本征刚性的三碟烯骨架与通过阴阳离子相互作用形成的离子交联网络的协同作用。在水合状态下（图4d），SPTIP/PFNP-x膜在保持优异抗拉强度（> 55.6 MPa）的同时，还实现了更高的断裂伸长率。
耐用的膜材料还需具备优异的化学稳定性，以承受全钒液流电池内强酸性、强氧化性环境的长期作用。SPTIP/PFNP-x膜表现出优于SPTIP的化学稳定性：其UV-Vis光谱中VO2+特征信号强度与空白对照组相比几乎无变化（图4e）。定量分析进一步显示，SPTIP/PFNP-x膜具有极低的VO2+还原率（0.13%-0.91%）和重量损失率（0.58%-1.38%），且这两项参数均随吡啶含量增加呈明显下降趋势（图4f）。此外，经VO2+溶液浸泡后膜的FTIR谱图未显示显著结构变化（图4g）。这种卓越的化学稳定性源于多重协同保护机制：（i）质子化吡啶鎓基团产生的唐南效应形成静电屏障，有效排斥VO2+；（ii）由刚性三碟烯骨架与离子交联构成的三维防御网络，为聚合物链提供特殊保护；（iii）采用无醚主链、含氟结构及稳定的吡啶鎓基团的分子设计，赋予材料固有的抗氧化降解能力。
相较于SPTIP膜，SPTIP/PFNP-x膜表现出略高的面电阻，且面电阻值随吡啶含量增加逐步上升（图4h）。为消除厚度影响，根据面电阻值计算了离子电导率。正如预期，SPTIP膜具有最高离子传导率（36.1 mS cm-1），较SPTIP/PFNP-x膜高出约10–40%。这种传导率下降表明吡啶含量增加增强了离子交联作用，导致离子传输通道变窄。尽管存在这种结构调控，SPTIP/PFNP-x膜仍保持可观的离子传导率（19.8-33.3 mS cm-1），其中SPTIP/PFNP-10（33.3 mS cm-1）、SPTIP/PFNP-20（30.3 mS cm-1）和SPTIP/PFNP-30（27.9 mS cm-1）均超过Nafion 212膜（26.5 mS cm-1）。在明确面电阻与离子传导率关联性的基础上，进一步研究了质子传导的温度依赖性，并通过Arrhenius方程计算表观活化能（图4i）。SPTIP/PFNP-10、SPTIP/PFNP-30和SPTIP/PFNP-50表现出显著较低的活化能（< 0.4 eV），表明其质子传输机制以Grotthuss机制为主导。这些结果印证了SPTIP/PFNP-x膜卓越的离子传导性，这得益于均匀分布且相互连通的亲水域为电荷平衡离子提供了高效传输路径，同时磺酸基与吡啶基团间形成的致密氢键网络构建了具有连续的质子传导通道。
采用渗透扩散池系统评估了SPTIP/PFNP-x膜的钒离子阻隔能力，通过实时监测VO2+浓度变化进行分析（图5a）。直观观察显示：Nafion 212对应的渗透侧溶液呈现明显蓝色，而SPTIP/PFNP-x膜接触的溶液仍接近无色，表明其钒离子渗透得到显著抑制。UV-Vis光谱验证了这一现象：Nafion 212膜的VO2+信号持续增强，而SPTIP/PFNP-x膜几乎未检测到VO2+信号（图5b）。这一显著差异源于Nafion 212中较大的离子团簇促进了钒离子渗透。定量分析表明：SPTIP/PFNP-x膜的渗透侧VO2+浓度始终处于极低水平且随时间仅轻微上升，而SPTIP膜则出现更明显的增长（图5c）。VO2+渗透率进一步凸显了这一差异：Nafion 212表现出极高的渗透率（8.81×10-7 cm2min-1），而基于三碟烯的膜则实现了显著更低的渗透率（2.61-10.51×10-8cm2 min-1）（图5d）。这些结果明确证明：三维支化的三碟烯结构促进了致密的聚合物链堆积，有效阻碍了VO2+扩散。值得注意的是，SPTIP/PFNP-x膜的阻钒性能随吡啶含量增加而逐步提升，这主要归因于磺酸基与吡啶基团间的强阳离子–阴离子相互作用形成的离子交联网络，该网络收紧聚合物基质并增强对钒离子的空间位阻效应。同时，质子化吡啶鎓基团诱导的唐南效应可静电排斥带正电的钒离子。与已报道膜的对比分析进一步确认：SPTIP/PFNP-x膜同时实现了低面电阻与低钒渗透率，性能优于大多数膜材料（图5e）。
图5. 钒离子阻隔性能与离子选择性。（a）装配不同膜的H型扩散池在初始（0 h）与最终（156 h）阶段的实物照片（左室：1.5 M VOSO4+ 3.0 M H2SO4，右室：1.5 M MgSO4 + 3.0 M H2SO4）。（b）SPTIP、SPTIP/PFNP-x与Nafion 212膜中VO2+渗透过程的UV-Vis吸收光谱。（c）渗透侧VO²⁺浓度随时间变化曲线。（d）不同膜的VO2+渗透率定量对比。（e）SPTIP/PFNP-x膜与代表性膜的面电阻–钒渗透率对标图。（f）SPTIP、SPTIP/PFNP-x与Nafion 212膜的离子选择性。（g）调控离子选择性的膜结构特征机理示意图
如图5f所示，SPTIP/PFNP-x膜表现出高于SPTIP（3.43×105 S min cm-3）和Nafion 212（0.30×105 S min cm-3）的离子选择性。值得注意的是，离子选择性随吡啶含量增加呈现先升后降的组成依赖性趋势，揭示了电荷平衡离子传导与钒离子阻隔能力间的固有权衡关系。在两性离子膜中，SPTIP/PFNP-30膜以7.92×105 S min cm-3的卓越离子选择性实现了最优性能。基于这些发现，提出了两性离子膜中离子选择性传输的新机制框架（图5g）。与传统阳离子交换膜不同，本设计同时满足两个关键需求：一方面，离子交联形成更狭窄的通道，同时质子化吡啶鎓基团产生唐南排斥效应以抑制钒离子渗透；另一方面，良好互联的亲水域实现电荷平衡离子传输，结合磺酸–吡啶氢键网络通过Grotthuss机制促进高效质子跳跃。
4. 钒液流电池性能
SPTIP/PFNP-x膜卓越的离子选择性和增强的稳定性促使进一步验证其作为钒液流电池隔膜的有效性（图6a）。在实验室规模的单电池测试中，选用最优的SPTIP/PFNP-30膜与SPTIP、Nafion 212膜在相同操作条件下进行对比。采用Nafion 212的电池因严重的钒离子渗透表现出最低的库伦效率（CE）；而基于SPTIP/PFNP-30的电池在所有电流密度下均实现超过99.5%的优异CE，这归因于其卓越的阻钒能力。电压效率（VE）分析显示，随着电流密度增加，VE因极化效应增强而呈现预期下降趋势。最重要的是，基于SPTIP/PFNP-30的电池在200 mA cm-2下实现了83.1%的出色能量效率（EE），显著优于SPTIP（80.5%）和Nafion 212（78.6%）（图6b）。这一性能优势表明SPTIP/PFNP-30膜在有效抑制钒离子渗透的同时，成功提升了离子传导能力。
图6c比较了采用SPTIP、SPTIP/PFNP-30和Nafion 212膜组装电池的自放电行为。基于SPTIP/PFNP-30的电池表现出更长的开路电压（OCV）维持时间（318.8 h），分别是SPTIP（110.3 h）和Nafion 212（61.3 h）的2.9倍和5.2倍。这一显著改善凸显了SPTIP/PFNP-30膜优异的钒离子阻隔能力。在100%荷电状态（SOC）下进行的极化曲线进一步表征表明：基于SPTIP/PFNP-30的电池获得1.60 V的更高OCV，优于Nafion 212电池的1.56 V（图6d），这与观测到的渗透性趋势一致。尽管采用SPTIP/PFNP-30膜的电池峰值功率密度（467.4 mW cm-2）略低于SPTIP膜电池（501.1 mW cm-2），但其在高达580 mA cm-2的电流密度下仍保持稳定运行，表明该两性离子膜未对钒液流电池体系内的氧化还原反应产生显著动力学限制。
如图6e所示，基于Nafion 212的电池因严重钒离子渗透，在300次循环后容量保持率仅为15.5%；与之形成鲜明对比的是，SPTIP/PFNP-30膜表现出卓越的循环稳定性，300次循环后容量保持率高达73.4%，单圈容量衰减率低至0.089%，优于基于SPTIP的电池（容量保持率46.0%，单圈衰减率0.18%）。在相同工作电流密度（120 mA cm-2）下与已报道电池体系的综合对比进一步凸显了SPTIP/PFNP-30电池的优异容量保持能力（图6f）。进一步通过120 mA cm-2下2000次循环测试评估了SPTIP/PFNP-30膜电池的长期稳定性：该膜的两性离子结构赋予其优异的离子选择性与稳定性，即使在电解液更新后仍能维持电池性能（图6g）。具体而言，CE在整个循环过程中始终保持在99.8%以上，明确证实了膜材料卓越的阻钒能力；EE在初始1000次循环中从88.3%逐渐下降至85.1%，但电解液更换后有效恢复至88.2%，接近初始水平。
图6. 电池性能。（a）钒液流电池结构及工作原理示意图。（b）采用SPTIP、SPTIP/PFNP-30与Nafion 212膜的电池在60-200 mA cm-2电流密度范围内的能量效率对比。（c）通过开路电压衰减监测的自放电行为。（d）100% SOC下电压与功率密度随电流密度变化的极化曲线。（e）采用SPTIP、SPTIP/PFNP-30与Nafion 212膜的电池在120 mA cm-2下循环300次的容量保持率。（f）SPTIP/PFNP-30膜与近期报道膜组装的电池在120 mA cm-2下的容量保持率对比。（g）基于SPTIP/PFNP-30膜的电池在120 mA cm-2下的长期循环稳定性。（h）SPTIP/PFNP-30膜组装的电池在宽电流密度范围（100-400 mA cm-2）下的效率变化。（i）SPTIP/PFNP-30膜与文献报道的离子膜材料组装电池的能量效率对比
为评估SPTIP/PFNP-30膜在严苛工况下的潜力，考察了该膜组装的电池在扩展电流密度范围（100-400 mA cm-2）内的效率：CE在整个测试范围内始终保持极高水平（> 99.7%），而EE从89.9%逐渐降至66.3%（图6h）。在300 mA cm-2时，基于SPTIP/PFNP-30的电池仍表现优异，CE与EE分别达99.9%与74.9%；即使在400 mA cm-2的高电流密度下，电池仍提供66.3%的可接受EE，明确证明其适用于高电流密度场景。与报道的其他聚合物膜材料的对标分析进一步确认了SPTIP/PFNP-30膜的优越性，尤其在较高电流密度下维持更高EE方面表现突出（图6i）。此外，在300 mA cm-2高电流密度下进行了严格循环测试：基于SPTIP/PFNP-30的电池在保持稳定运行效率的同时，连续500次循环后容量保持率仍超过40%。这些结果共同凸显了两性离子增强的离子选择性传输机制对实现高效钒液流电池系统的关键作用。
综上所述，大连理工大学朱秀玲团队通过将含氟聚（芳基吡啶）混合到磺化的三碟烯支化聚（芳基靛红）中，成功开发了一系列两性离子膜（SPTIP/PFNP-x），构建了精准调控的阳离子–阴离子相互作用及优化的化学环境。最优的SPTIP/PFNP-30膜通过阳离子–阴离子相互作用促进了致密氢键网络的形成，同时立体的三碟烯结构有效增加了聚合物链间自由体积。这种协同结构设计使其实现了27.9 mS cm-1的优异离子传导率，超过Nafion 212（26.5 mS cm-1）。此外，交联网络与吡啶鎓基团的唐南效应协同作用，将钒离子渗透率降低至3.52×10-8 cm2min-1，较Nafion 212（8.81×10-7 cm2min-1）降低一个数量级。离子交联与支化中心的非共价交联作用赋予膜材料卓越的机械强度，而无醚主链、含氟结构及稳定的吡啶鎓基团则确保了出色的化学稳定性。这些特性使SPTIP/PFNP-30膜同时实现了高离子选择性与增强的稳定性，所组装的钒液流电池在宽电流密度范围（60-400 mA cm-2）内保持99.5%以上的库伦效率，并在200 mA cm-2下达到83.1%的能量效率。值得注意的是，该电池展现出卓越的循环稳定性：在120 mA cm-2下经历2000次循环后仍保持结构完整，即使在300 mA cm-2下也能稳定运行500次循环。本研究为电化学储能装置用先进膜材料的设计与制备提供了重要借鉴。
T. Ban,Y. Xu, K. Shen, et al. Functional Integration in Tailored Polymers Enables Zwitterionic Membranes with Selective Ion Transport and Enhanced Stability. Adv. Funct. Mater. 2025: e17813. https://doi.org/10.1002/adfm.202517813
延伸阅读（朱秀玲团队近期论文合集）：