徐至，博士、教授、博士生导师，现担任华东理工大学化工学院院长。2008年和2015年先后在南京工业大学和辛辛那提大学获得化学工程专业学士与博士学位。近年来主要从事规整孔结构质子传导膜、二维超薄膜、气体分离膜、制氢催化剂的设计与制备研究。以通讯作者身份在Nat. Sustain.、Nat. Catal.、Angew. Chem、AIChE J.、J. Membr. Sci.、Adv. Func. Mater.等期刊发表论文90余篇。2024年入选国家杰出青年科学基金项目，作为负责人主持国家重点研发计划课题、基金委青年基金和面上基金。担任Engineering和Advanced Membranes期刊青年编委、《化工进展》和《膜科学与技术》期刊编委、Frontiers in Membrane Science and
Technology 期刊副主编。本文总结了徐至教授课题组2024年度在液流电池领域的相关文章。在金属基液流电池中，膜对能量转换效率和安全性有显著影响。但是由于金属枝晶的逐渐积累，膜会受到损害，导致短路和缩短循环寿命。在此，本研究开发了一种具有亚10nm厚度的聚电解质涂层的刚性分层多孔陶瓷液流电池复合膜，以实现高离子选择性和电导率，抑制枝晶，实现长循环寿命和高面容量。使用该膜制备的锌铁液流电池的能量效率达到80%，具有优异的长期稳定性（超过1000小时）和极高的面容量（260 mAh cm−2）。低场核磁共振（NMR）光谱、小角度x射线散射、原位红外光谱、固态核磁共振分析和纳米计算机断层扫描显示，薄膜中刚性的分层孔隙结构和众多的氢键网络有助于稳定运行和卓越的电池性能。该研究有助于开发用于能源和发电的下一代金属基液流电池膜。 聚苯并咪唑（PBI）具有渗透率低和优异的化学稳定性，被认为是最有前途的质子交换膜材料之一。然而，PBI膜的低质子电导率限制了其在钒液流电池（VFB）中的商业化应用。本研究通过引入结晶共价有机框架（TpPa和TpPa- SO3h (STpPa)）制备了具有高质子导电性的PBI杂化膜。由于TpPa和STpPa内部具有高度有序的亚纳米级孔隙，在杂化膜中构建了更快的质子传输通道。同时，引入STpPa的磺酸基进一步提供了额外的质子转运位点和钒渗透屏障，从而实现了高离子选择性。结果表明，含3% STpPa的PBI杂化膜在40 ~ 240 mA cm−2的电压效率（95.22% ~ 74.84%）和能量效率（91.38% ~ 74.38%）优异，且在160 mA cm−2的电流密度下循环800次表现出优异的电化学稳定性。这项工作提供了一种简单有效的策略，通过结合功能多孔材料来构建高性能的PBI基PEMs，在VFB中具有广阔的应用前景。 3、一种为超长寿命锌基液流电池实现晶体面操纵的疏锌界面工程 锌基液流电池（ZFBs）因其高能量密度、高安全性和低成本而受到广泛关注。然而，众所周知的枝晶问题是限制ZFB商业应用的瓶颈。本研究提出了一种基于静电斥力的疏锌界面工程策略，以实现锌酸盐离子沿膜–电极界面的均匀分布，其中引入羧甲基纤维素（CMC）对膜表面电荷进行定制优化。通过分子尺度表征技术、原位动态观察和密度泛函理论研究证明，该界面工程成功实现了晶体面操纵，使优先晶体取向（（002）平面）的暴露增加了33.76%。此外，亲水性CMC的良好润湿性及其丰富的-OH官能团对载流子（OH−）输运动力学的积极影响协同作用使制备的膜具有高离子电导率。因此，采用制备膜的电池在80 mA cm−2下稳定运行超过3000次，平均能量效率为80%。本研究提供了一种新的解决金属枝晶问题的方法，从而促进了ZFB在长时储能方面的商业化。 水系有机氧化还原流动电池（AORFBs）的发展受到高效、低阻抗和高选择性离子传导膜（ICMs）缺乏的限制。虽然聚苯并咪唑（PBI）是最具潜力的低成本非氟化离子传导膜之一，但如何设计既稳定又具备快速、选择性离子传输通道的PBI膜仍然是一项挑战。本文通过工程化调控PBI的化学结构，并优化离子传输通道，制备了一种高导电性、高选择性的Pd2+配位膜，该膜具有接枝和交联结构。在这一设计中，侧链上的季铵盐基团赋予了膜较高的OH–导电性，而季铵盐基团与去质子化咪唑基团之间的离子键形成了连续的交联网络，显著增强了膜的机械性能。此外，Pd2+与PBI的配位作用以及三氟乙酸根离子对PBI链的增塑效应，扩大了分子自由体积，同时诱导了局部收缩，从而在提升载流子传输速率的同时，有效抑制了活性物质的扩散。基于QPBI-xPBI-Pd膜组装的AORFBs在100 mA cm-2的电流密度下表现出极高的库伦效率（99.6%）和能量效率（77.67%），并在500次循环后仍保持优异的稳定性。本研究提出了一种创新策略，以优化PBI膜的性能，促进液流电池（RFBs）在大规模储能技术领域的可行性与发展。 5、一种用于钒液流电池的具有调节酸碱相互作用和高性能的交联磺化聚酰亚胺膜 研究人员曾尝试将咪唑基团引入磺化聚酰亚胺（SPI）中，以创造酸碱相互作用，从而有效改善膜的物理化学性能。然而，咪唑基团的强碱性使去质子化过程变得困难，从而阻碍了质子传导过程。为了解决这一问题，本文通过交联工艺引入了电子吸引的苯甲酰基团，以调节酸碱相互作用，这成功地降低了苯并咪唑基团的碱性，从而增强了质子导电性。同时，膜表面形成的致密结构有效降低了钒离子的渗透性。交联时间为10分钟的SPI膜表现出较低的钒离子渗透性（1.38 × 10-7 cm2 min-1）和最高的质子导电性（76.0 mS cm-1），并在120 mA cm-2的电流密度下实现了优异的稳定性（1500次循环后，能量效率达到83.9%）。该研究提供了一种简便的方法，解决了基于SPI的质子交换膜在质子导电性和钒离子渗透性之间的权衡问题。 6、用于高面容量锌基液流电池的 3D 打印柱阵列孔陶瓷膜 基于锌的液流电池（ZFBs）在大规模能源储存应用中具有巨大的潜力。然而，锌枝晶的形成和ZFBs的有限面容量限制了其进一步发展。在本研究中，作者设计了一种数字光刻3D打印柱阵孔陶瓷膜（3DPC），用于构建具有高面容量和长循环寿命的ZFBs。柱阵孔设计通过减少约60%的跨膜电阻，促进了K+和Na+的传输。孔阵作为电解液储存库，调节界面离子分布，并为锌沉积提供足够的空间。此外，陶瓷的表面硬度高达1.46 GPa，能够有效防止锌枝晶的损伤。进一步地，基于设计的3DPC的电池在280 mAh cm-2的面容量下运行超过950小时，能量效率稳定在79%以上。该研究展示了3D打印陶瓷膜在金属基液流电池中的潜在应用前景。 7、剪切金属有机骨架晶格缺陷为高性能水系有机液流电池形成低电阻储层通道 电化学储能设备的效率，如液流电池，依赖于离子导电膜的快速和选择性离子传输能力。然而，设计具有高选择性和低电阻的膜仍然是一个挑战。在本研究中提出了一种利用梯度晶格差异的策略，通过选择性剪切晶格缺陷的内核，形成具有超低电阻储液通道和晶格完美离子筛分外壳的中空MIL-101（HMIL-101）。这种膜的约1/8体积比的腔体可以将质子传输电阻降低86%，并使HMIL-101的质子导电性提高了约一个数量级（从4.0 × 10-4 S cm-1提高至2.9 × 10-3 S cm-1）。进一步的膜分离测试显示了精确且快速的选择性离子传输。质子导电性提高了100%，离子导电选择性提高了5.2倍，达到了2.6 × 107 S cm min-3。此外，在高电流密度（120 mA cm-2）下，水系有机氧化还原液流电池的电压效率提升了7%，进一步凸显了这种高选择性和低电阻金属有机框架离子导电膜的优越性。该策略为设计高性能膜内离子传输通道提供了新的方向。 8、共价有机骨架内的两性离子通道促进液流电池膜的质子选择性传输 液流电池对离子导电膜（ICMs）具有高选择性的需求，以实现高效的能量转换。本研究通过硫醇–烯烃点击反应，制备了一种半胱氨酸修饰的共价有机框架（Cys-COF）。作为一种有前景的质子载体，将Cys-COF与磺化聚醚酮（SPEEK）结合，制备出了用于钒液流电池（VFBs）的先进离子导电膜。半胱氨酸基团以两性离子形式锚定在纳米通道壁上，既缩小了孔径，又改善了Cys-COF的亲质子性，从而提高了钒渗透阻力和质子导电性。优化后的膜在40-200 mA cm-2的电流密度范围内，库伦效率（95.01%–98.84%）、电压效率（95.15%–77.84%）和能量效率（90.41%–76.94%）均同步提升。在测试中，该膜在120 mA cm-2的恒定电流密度下，经过1100个循环和550小时后，能量效率达到约84.3%，优于纯聚合物膜和Nafion 212膜。 [1]Huang, K., Mu, F., Hou, X., Cao,
H., Liu, X., Chen, T., … & Xu, Z. (2024). Porous Ceramic Metal‐Based Flow
Battery Composite Membrane.Angewandte Chemie International Edition, 63(19),
e202401558.
[2]Wang, J., Xu, W., Xu, F., Dai,
L., Wu, Y., Wang, Y., … & Xu, Z. (2024). A polybenzimidazole-covalent
organic framework hybrid membrane with highly efficient proton-selective
transport channels for vanadium redox flow battery.Journal of Membrane
Science, 695, 122470.
[3]Hou, X., Chen, X., Liu, X., Lu,
Y., Zou, J., Ding, J., … & Xu, Z. (2024). A zincophobic interface
engineering achieving crystal-facet manipulation for ultra-long-life zinc-based
flow batteries.Journal of Membrane Science, 701,
122730.
[4]Yu, H., Wu, Y., Xu, W., Zheng,
Y., Ding, J., Wang, Y., & Xu, Z. (2025). Pd2+-coordinated polybenzimidazole
membranes with fast and selective ion transport for alkaline aqueous organic
redox flow battery.Journal of Membrane Science, 713,
123320.
[5]Zheng, Y., Xu, W., Wu, Y., Ding,
J., Yu, H., You, X., … & Xu, Z. (2025). A cross-linked sulfonated
polyimide membrane with regulated acid-base interaction and high-performance
for vanadium redox flow battery.Journal of Membrane Science, 718,
123651.
[6]Liu, X., Xu, K., Ding, J., Chen,
T., Hou, X., Cao, H., … & Xu, Z. (2024). 3D‐printed pillar array pore
ceramic membrane for high areal capacity zinc‐based flow battery.AIChE
Journal, e18728.
[7]Cao, H., Xia, Y., Wang, J., Ji,
H., Hong, H., Xu, K., … & Xu, Z. (2025). Shearing metal-organic framework
lattice defects create low-resistance reservoir channels for high-performance
aqueous organic flow battery.Journal of Membrane Science, 717,
123607.
[8]Xu, W., Xu, J., Yi, Z., Ding,
J., Li, S., Wang, Y., & Xu, Z. (2024). Zwitterionic channels within
covalent organic frameworks facilitate proton-selective transport for flow
battery membrane.Chemical Engineering Science, 299,
120468.
