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第一作者：鲁文静 通讯作者：李先锋 通讯单位：中科院大连化学物理研究所 DOI：10.1038/s41560-026-02053-2 工作简介 液流电池（FBs）是适用于电网级应用的最具吸引力的LDES方案之一。FBs通过液态电解质的可逆氧化还原反应储存能量，具备高安全性、良好的环境兼容性以及长循环寿命。FBs中功率与能量具有独特的解耦特性：功率由电池电堆决定，而能量容量则取决于外部储液罐中电解质的浓度和体积。这种模块化结构支持独立扩展，并适用于长期运行场景。钒液流电池（VFBs）是最成熟的液流电池化学体系之一，其工作原理基于阳极液和阴极液中钒离子的价态变化。尽管早在二十多年前就已开展早期示范，VFB的部署仍长期受限。FBs大规模商业化应用主要受到电堆功率密度不足、电解液稳定性差、组件（尤其是电解质和膜）成本高昂以及实际运行条件下出现的可靠性问题等制约。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 液流电池（FBs）是适用于电网级应用的最具吸引力的LDES方案之一。FBs通过液态电解质的可逆氧化还原反应储存能量，具备高安全性、良好的环境兼容性以及长循环寿命。FBs中功率与能量具有独特的解耦特性：功率由电池电堆决定，而能量容量则取决于外部储液罐中电解质的浓度和体积。这种模块化结构支持独立扩展，并适用于长期运行场景。钒液流电池（VFBs）是最成熟的液流电池化学体系之一，其工作原理基于阳极液和阴极液中钒离子的价态变化。尽管早在二十多年前就已开展早期示范，VFB的部署仍长期受限。FBs大规模商业化应用主要受到电堆功率密度不足、电解液稳定性差、组件（尤其是电解质和膜）成本高昂以及实际运行条件下出现的可靠性问题等制约。 核心内容 1.用于电堆结构功率密度的膜材料 早期的FBs使用了商业化的全氟磺化离子交换膜（如Nafion），这类膜导电性高但成本高昂（>700美元/m²）且选择性低，导致容量衰减和效率降低。价格较低的非全氟磺化芳香族聚合物（如磺化聚醚醚酮（SPEEK））则具有更高的选择性；然而，由于引入了离子交换基团，易被VO2+物种侵蚀。2012年，作者团队开发了一种多孔尺寸排阻膜，可将水合钒离子（>0.8nm）与水合质子（~0.41nm）有效分离，从而提升化学稳定性和电池寿命。然而，在钒选择性与质子传导性之间仍存在权衡关系。 通过对离子传输机制及膜结构与性能关系的深入研究，作者团队设计出不对称复合膜结构：将多孔支撑层与薄型选择性分离层相结合（图1a）。采用具有规则孔道（宽度0.5nm）的沸石材料实现高选择性。此外，作者团队还通过界面聚合技术制备了厚度为180nm的聚酰胺分离层，以防止其从支撑层上剥离。 基于早期成果，作者团队制备出一种超薄（3µm）、独立式聚合物复合膜，其在143nm的分离层中具有准有序网状结构，实现了极低的面电阻以及在整个pH范围内较低的钒渗透性（图1a）。该复合膜可在高达300mAcm⁻²下运行，同时保持超过80%的EE，有助于提升电池电堆的功率密度。该复合膜的商业化产品在电化学性能和成本方面均优于Nafion 212。其耐久性测试已突破25000次循环，年产量现已达到200000平方米，单位成本低于50美元/平方米。   2.电堆流场与设计 虽然膜是决定电堆功率的关键因素，但要实现高功率密度还需优化流场结构和电极设计，以最大限度降低浓差极化效应和传质损失。在液流电池电堆中，流场指的是分布电解液至各电极表面的通道网络系统，它既能促进电化学反应，又能调控物质传输过程。经过精准调控的流道能快速均匀地将电解液分布至各电极表面，从而避免局部浓差极化现象。然而在传统流场结构中，电极角落处容易形成滞留区域，不仅会限制物质传递效率，还会导致严重的浓差极化问题。 电堆内部的多种复杂因素共同决定了运行效率和可靠性。然而，这些耦合效应在实验中难以被单独分离和明确阐明。因此，作者团队建立了三维数值模拟模型，重点针对优化流场结构展开研究。基于对电解液流速及氧化还原活性物质浓度的分析结果，作者团队设计了梯形流场结构：该流场的横截面积沿流动方向逐渐收窄，使得流速从入口到出口逐步增加，加速了电解质的运动，并确保了电极上更均匀的分布。受这些结果启发，作者团队开发了一种采用超薄电极的电堆设计，该设计可缩短电子传输路径并最大限度地减少氧化还原活性物质的传输距离（图1b），使得电堆结构在实际工作条件下能够实现更高的功率密度。采用这些设计的新一代30kW和70kW电堆，其功率密度是早期设计的两倍，同时成本降低40%。   3.用于提高能量密度和稳定性的电解质 电解质是钒液流电池（VFB）中的能量储存介质，其氧化还原活性物质的浓度和体积决定了系统的储能容量。从历史数据来看，1MW/4MWh的VFB系统中，电解质约占总成本的30%。传统电解质含有钒离子混合物（VO2⁺/VO2⁺及V²⁺/V³⁺）、辅助电解质及添加剂，但存在能量密度低、热稳定性差的问题。当温度超过50°C时，五氧化二钒会从水合VO2⁺中析出，导致局部电压骤升并最终引发电池电堆故障。 为解决沉淀问题，作者团队系统研究了水合VO2⁺的温度依赖性转化机制。研究发现，水合VO2⁺([(VO)2(H2O)₃]+)通过四步去溶剂化和脱氢反应转化为VO(OH)₃，随后进一步生成五氧化二钒；其热不稳定性源于限速步骤中的第二步质子解离（图1c）。基于此发现，作者团队开发了一种阴离子–阳离子配位策略以抑制VO(OH)₃的转化。具体而言，配位阴离子或阳离子（如Cr³⁺）可通过增强二氧化钒离子与水分子的结合来稳定水合二氧化钒离子，从而抑制VO(OH)₃的形成及其向五氧化二钒的后续转化（图1c）。这种协同效应显著拓宽了钒电解质的热稳定性范围，使其能够在高温条件下稳定运行。因此，电解质中氧化还原活性物质的浓度从1.6M提升至2.0M，系统能量密度相应提高了约30%。融科储能目前以年产能2GWh大规模生产该电解质。 图1.膜结构、流场及电解质的设计策略   4.从试点阶段到全面推广部署 过去20年间，作者团队的工作重点始终在于将VFB转化为商业应用。关键组件（包括膜、双极板和电极）成本的降低以及电堆性能的提升，使得VFB得以从试点项目发展为并网运行系统。例如，融科储能公司于2012年生产的1MW/4MWh系统成本约为每千瓦时850美元；而改进后的系统目前成本降至约每千瓦时300美元，电堆成本也从每千瓦时超过1200美元降至约250美元。成本降低，加之电解液能量密度和稳定性的提升，使得该系统的大规模应用在经济上具有可行性。 融科储能已在华完成超过30个项目。在全球范围内，该公司已安装超过4GWh的VFB，占据示范市场的重要份额。2022年，一座100MW/400MW时的VFB调峰电站在中国大连首次并网运行；随后又在多个项目中部署了更多100MW级系统。至2025年，一套200MW/1GWh的VFB系统将与MW级光伏电站协同运行，以稳定可变可再生能源供电并提升电网可靠性。   5.经验教训与未来展望 试点测试与产业合作是将VFB研究成果转化为实际应用系统的核心环节。通过与行业合作伙伴的合作，作者团队能够在部署商业上可行的系统之前，在现实条件下构建原型并测试中试规模的VFB电堆。这些初步试验对于识别在理想化实验室条件下（如使用小型膜片、有限电解液体积以及短时恒定条件循环操作）无法显现的问题至关重要。例如，只有通过在高酸性和氧化性环境中对膜电堆进行测试，才能揭示膜的降解情况，从而为优化膜稳定性提供关键数据；因此，设计出具有高选择性、导电性能优异且耐用的膜材料才成为可能。总体而言，初步研究与基础研究共同构成了一个重要的创新循环体系，推动相关技术从概念阶段走向市场应用。 合作伙伴的选择同样至关重要。作者团队优先选择那些拥有互补技术体系、能源运营模式一致且具备关键材料制造专长的合作伙伴。所有合作项目均采用风险共担机制，确保在测试与部署环节共同承担责任。随着VFB技术向更广泛市场拓展，与已具备储能基础设施或部署经验的合作伙伴开展协作仍具有关键意义。与此同时，持续开展降低成本和提升可靠性的研究将有助于加速该技术的市场普及。 持续的科学突破对于降低系统成本和提升可靠性至关重要。重点研究领域包括开发成本更低、性能更稳定的材料（尤其是膜材料和电解质），以及开发更高功率密度的电池电堆。对于自放电问题更为严重的LDES而言，具有快速质子传输能力的高度选择性膜材料尤为关键；而要实现更高的能量密度，则亟需稳定性更强的电解质。还需在实际运行条件下考量关键材料之间的相互作用。早期在未经充分验证的情况下引入新材料的尝试已表明：必须平衡性能、耐用性和成本三者关系，而非仅追求单一指标。 优化的电堆结构对于提升物质传输与热传递效率、加速电化学反应进程至关重要。除技术改进外，电解液租赁等商业策略可降低成本；人工智能技术则能实现高效材料筛选、电堆设计及系统运行，进一步推动VFB的市场普及。

第一作者：张登华 通讯作者：肖伟，陈吉，张希昊 通讯单位：辽宁石油化工大学 DOI：10.1016/j.est.2026.122989 感谢辽宁石油化工大学张登华/肖伟团队校稿！ 工作简介 本文提出一种几何约束策略，精准调控两性纳米片的自组装过程：在薄膜形成过程中设置严格的空间边界，限制填料的自由度并强制其沿基底方向平行排列。由此形成的有序层状微结构能最大化“壁效应”以抑制钒离子渗透，同时通过有序的两性结构单元建立连续的质子传输通道。经优化后的膜材料展现出37.5mS cm⁻¹的高质子导电率和3.07×10⁻⁷cm² min⁻¹的超低钒渗透率。配备该膜的VRFB在200mA cm⁻²下可实现80.13%的EE。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 VRFB中的IEM承担着一项本质上相互矛盾的任务：必须作为对四种钒离子（V²⁺、V³⁺、VO2⁺和VO2⁺）均具有阻隔作用的屏障，以防止半电池之间发生离子交叉传输，从而确保高CE和长期容量保持。同时，必须为H+提供极高的电导率，以最大限度地降低膜的面电阻，并在电池运行期间保持高VE。以Nafion为代表的基准PFSA膜正是此矛盾的典型代表。其结构明确、纳米相分离的亲水区域为质子跃迁提供了理想路径，但通道对钒离子却具有显著的“渗透性”。寄生性的钒渗透会引发一系列不良后果：电容快速衰减、待机状态下严重自放电、电解质浓度逐渐失衡，以及需要频繁进行耗能巨大的再平衡循环。此根本性矛盾常被形象地描述为选择性–导电性曲线中的“折衷上限”，即材料研究领域数十年来始终难以突破的性能极限。 核心内容 图1不同石墨烯的结构和性质 两性离子功能化氧化石墨烯（ZGO）的制备为首先在GO纳米片表面构建了反应性聚多巴胺界面，利用其丰富的儿茶酚基和胺基，通过迈克尔加成或希夫碱反应将两性离子SBMA刷固定于表面。 FTIR光谱证实石墨烯骨架结构（C––C振动峰位于~1620cm⁻¹）在整个反应过程中保持稳定；而1230.4cm⁻¹处出现的S=O伸缩振动则为磺酸基引入提供了初步证据。此外，放大区域揭示了界面相互作用的具体特征：在高频区，对应O–H/N–H伸缩振动的宽吸收带从原始GO中的3418.2cm⁻¹显著移至PGO中的3431.2 cm⁻¹，明显的蓝移表明键合环境发生改变，说明GO表面游离羟基与PDA层中的儿茶酚/胺基团形成了稳定的氢键网络，从而有效“锁定”了界面结构；随后在ZGO光谱中，该吸收带出现轻微红移至3426.4cm⁻¹；此外，在指纹区中，PGO在1578.9 cm⁻¹处出现一个尖锐的新峰，符合PDA中吲哚环N–H弯曲振动信号。在ZGO光谱中，该峰并未消失，而是向更高波数（1584.7 cm⁻¹）移动，表明氮原子的电子环境发生了扰动。 XPS显示PGO的高分辨率N 1s谱图主要由源自PDA涂层的吡啶基和吡咯基氮物种构成；相比之下，ZGO谱图在较高结合能（约402.5eV）处显示出一个新的组分，对应于SBMA侧链上的带正电荷季铵基团（-N+(CH3)3）。同时，S 2p谱图在168.2eV处确认了-SO3−的存在。同时，Zeta电位显示由于胺基引入，表面电荷从GO的强负值（−29.7mV）转变为PGO的较弱负值（−12.3mV），随后又恢复至ZGO的−20.6mV；最终的负向偏移证实了末端磺酸基团的成功接枝，从而重新引入负电荷。 图2不同膜的理化性质 采用几何限制策略制备的膜均具有独特的双层结构。接触角结果显示原始PFSA膜表面呈现较强的疏水性，接触角约为86°；引入GO后，P/GO膜的接触角降至78°，而TL-P/GO膜则进一步降至67°，表明表面亲水性显著提升；而且，TL-P/ZGO膜的接触角最低，仅为61°。吸水能力测试显示TLP/ZGO膜在所有样品中表现出最高的吸水能力。但是，尽管具有最高的吸水率，TL-P/ZGO膜的溶胀率却显著降低至约11%，远低于PFSA膜和P/GO膜。此外，化学耐久性实验可以看出原始PFSA膜在测试后重量损失达4.11%；相比之下，复合膜表现出更强的稳定性，其中TL-P/ZGO膜的重量损失最小，仅为2.91%。 图3渗透性和电化学性质 EIS显示TL-P/ZGO膜展现出最高的质子电导率（37.5mS cm⁻¹），显著优于原始PFSA膜（16.5mS cm⁻¹）和随机分布的P/GO膜（16.8mS cm⁻¹）。同时，原始PFSA膜在渗透侧的钒浓度迅速升高，表明由于离子通道过宽而存在较差的离子选择性。虽然，商用N212膜的扩散速率较再生PFSA膜略慢，但差异主要归因于较大的厚度（50μm），而非内在结构优势。经改性后，P/GO膜通过物理屏障效应在可量化程度上降低了这种渗透速率。然而，TL-P/ZGO膜展现出最优异的屏障性能，其特征是最低的钒渗透速率。 图4电池性能 配备TLP/ZGO膜的电池单元展现出最高的平均放电电压，优于商用N212膜和再生PFSA膜。此外，TL-P/ZGO膜在整个电流密度范围内均保持极高的CE，接近100%的效率充分证明：致密且排列整齐的ZGO阻挡层通过几何限制效应和Donnan排斥效应有效抑制了钒离子渗透。同时，VE在TL-P/ZGO电池中始终表现优异，尤其在高电流密度条件下更为显著。因此，综合CE与VE指标计算得出的TL-P/ZGO的EE在所有测试样品中仍居首位，充分展现了其实现高效储能的能力。 图5长循环性能 采用TL-P/ZGO膜的单电池在恒定200mA cm⁻²下进行了连续充放电循环测试，CE、VE和EE几乎保持稳定且波动可忽略不计，表明该膜结构即使在长期酸性和氧化应力环境下仍能保持其完整性及选择性传输特性。 导致VRFB频繁失效的一个关键因素，是由于水离子和钒离子的失控传输所引起的电解质失衡。此外，虽然配备原始PFSA和P/GO膜的电池因严重的物质交叉而通常出现快速容量衰减，但TL-P/ZGO系统却展现出极高的容量保持率。显著的衰减抑制现象证实了两性离子石墨烯网络的“离子隔离”效应持久有效，能有效将活性物质保留在各自的半电池中，从而延长电池的免维护使用寿命。 核心结论 本文成功开发了一种几何约束策略用于构建钒液流电池的高性能复合膜。通过运用空间边界条件克服填料的热力学随机性，两性纳米片被诱导形成高度有序的层状结构，该结构与钒离子的扩散方向垂直。这种工程化结构有效增强了“壁效应”，在不牺牲质子导电性的前提下显著降低了钒离子的渗透率。因此，离子选择性与传输效率之间的权衡关系得以有效解耦。组装后的电池在不同电流密度条件下均展现出优异的EE和长期稳定性，证实了该方法的实际可行性。  

第一作者：武讨龙 通讯作者：贺高红 通讯单位：大连理工大学 DOI：10.1016/j.est.2026.123176 感谢大连理工大学贺高红团队校稿！ 工作简介 本研究设计了一种负载在W18O49纳米线上的单原子铋催化剂（Bi/W18O49@GF-2）。铋单原子在W18O49晶格中的强配位嵌入不仅调节了局部配位环境并促进了大量高活性氧空位的形成，其重构的局部电子结构还显著提高了HER的能量势垒。这种双重调控机制大幅提升了V3+/V2+氧化还原反应的可逆性，并降低了极化效应。采用Bi/W18O49@GF-2组装的VRFB在300mA cm⁻²下实现了77.6%的优异EE，且在3000次循环中EE衰减速率仅为0.0016%。实验结果与密度泛函理论模拟表明，铋原子可诱导Bi-O-W构型及氧空位的形成，从而构建高效的电荷传输通道、促进钒物种吸附并增强催化位点稳定性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 在液流电池中，电极同时充当电子传输介质和氧化还原反应的活性位点，直接影响系统的反应动力学、EE及功率密度。尽管石墨毡（GF）成本低廉且具有导电性，但商用石墨毡电极存在比表面积较低（通常<1m²/g）以及对钒物种的氧化还原反应动力学缓慢等问题，严重限制了离子传输和电化学活化。因此，提升石墨毡电极的电催化活性和表面反应性对于实现更高的功率密度和更长的运行稳定性至关重要。 核心内容 1.Bi/W18O49/@GF的合成与结构表征 图1.Bi/W18O49@GF的制备和结构表征 本研究通过简单的单锅溶剂热法在石墨毡上合成了双掺杂W18O49纳米线（Bi/W18O49@GF）。W18O49纳米线具有均匀的直径，并沿石墨毡纤维均匀分布。掺入铋后，Bi/W18O49@GF-1和Bi/W18O49@GF-2样品的催化剂负载量未观察到显著的形态变化或差异。此外，Bi/W18O49纳米线在石墨毡上的原位生长实现了良好的界面接触，显著增强了结构稳定性，有利于实现对钒离子的快速氧化还原动力学。HRTEM成像显示Bi/W18O49@GF-2存在明显的晶格条纹，其面间距为0.38nm，对应单斜晶系W18O49的(010)晶面，表明纳米线优先沿(010)方向生长。此外，HAADF-STEM测试未观察到铋簇、纳米颗粒或沉淀物，证实了铋在W18O49纳米线中实现了原子级均匀分布。同时，EDX元素分布图显示铋、钨和氧均均匀分布于纳米线内部，进一步验证了铋在W18O49结构中的均匀掺入。 图2.结构及成分分析 XRD显示在W18O49样品中观察到位于23.13°和47.34°的两个宽衍射峰，分别对应单斜晶系W18O49的(010)和(020)晶面。随着铋含量增加，Bi/W18O49–4在12.03°处出现了一个额外的尖锐峰，对应于BiOCl(001)的低强度衍射峰，表明过量的铋会导致BiOCl的形成。W18O49@GF的拉曼光谱显示244cm⁻¹和329cm⁻¹处的峰归属于O-W-O键的弯曲振动，而725cm⁻¹和784cm⁻¹处的峰则对应于O-W-O键的伸缩振动。与W18O49@GF相比，Bi/W18O49@GF-x（x=1–3）样品在244cm⁻¹、329cm⁻¹、725cm⁻¹和784cm⁻¹处的峰均出现显著位移，可归因于铋与W18O49之间形成了Bi-O-W相互作用。 XPS显示原始W18O49@GF-2的W 4f谱可拟合为两个双峰，分别对应W⁶⁺（38.25和36.05eV）和W⁵⁺（36.60和35.00 eV），是混合价态钨氧化物骨架的特征。掺入Bi后，所有结合能均向较低值偏移，且W⁵⁺组分的相对强度显著增加。Bi/W18O49中的W⁶⁺4f7/2/4f5/2峰出现在37.70/35.45eV处，而W⁵⁺峰位于36.00/34.35eV。Bi/W18O49/@GF-2的Bi 4f谱图在159.35和164.70eV处呈现两个峰，分别对应Bi 4f7/2和Bi 4f5/2。与金属铋相比，这些峰表明铋原子处于相对较高的氧化态，说明由于向W18O49的电荷转移，铋原子存在电子缺陷，证实了Bi-O-W配位键的形成。对于原始W18O49/@GF-2样品，位于530.90、531.80和533.10 eV的三个峰分别归属于晶格氧（Olatt）、氧空位（Odef）和吸附氧（Oads）。掺杂铋后，这些峰的结合能均降低至530.20、531.55和533.05eV，与Bi-O键的形成及局部化学势的改变一致。 EPR光谱技术显示在g=2.003处观察到明显的信号峰，是被困在氧空位中的未配对电子的特征信号。与W18O49@GF和Bi/W18O49@GF-x（x=1,3–4）相比，Bi/W18O49@GF-2样品显示出显著更高的共振信号强度，证实了氧空位浓度的明显增加。EPR信号强度的增强主要归因于最佳Bi单原子掺入引起的局域电荷重新分布与补偿效应，从根本上稳定了额外的氧空位。高氧空位浓度促进了Bi-O键的形成，使Bi原子处于不饱和配位环境，从而有利于电荷重新分布和活性位点的生成。原子铋激发的配位和氧空位为钒离子的吸附和活化提供了有效的活性中心，增强了对V3+/V2+的催化活性。   2.CF−B与CF−BN的电化学性能测试 图3.不同电极的电化学性能 在10mV s⁻¹扫描速率下记录的CV曲线表明Bi/W18O49/@GF-2具有最高的阳极和阴极峰电流（Ipa=124.7mA，Ipc=−161.1mA）、最小的峰电位差（ΔEp=365.0mV）以及最快的氧化还原起始电位。不同扫描速率下的CV显示与W18O49/@GF相比，Bi/W18O49/@GF-2电极在所有扫描速率下均表现出持续更小的峰电位差，表明Bi/W18O49/@GF-2在氧化和还原过程中均具有优异的氧化还原动力学性能和出色的电催化活性。 EIS测试显示在W18O49@GF中，氧空位为电子跃迁提供了缺陷通道，其Rct值低于GF。对于Bi/W18O49@GF-2，与其他电极相比，它的半圆直径小得多，低频斜率更陡，表明Rct更低（0.18Ω），是因为适量的Bi单原子进一步调控了W18O49的电子结构，产生氧空位并形成Bi-O-W界面。这种环境能够重新分配电荷，从而形成更具导电性的路径和离域化的电子态。   3.全电池测试 图4电池性能 在300mA cm⁻²下，采用Bi/W18O49@GF-2电极组装的VRFB表现出最高的初始放电电压（1.38V）和体积容量（31.50Ah L⁻¹），同时在充放电过程中均呈现最低的过电位，分别降低180.0mV和83.2mV。与稳定的CE相比，VE和EE随铋含量增加呈现火山型变化趋势。对于W18O49@GF而言，W18O49中固有的氧空位为电子跃迁提供了缺陷通道和活性位点，因此相较于GF，其电化学极化效应降低且电化学性能提升。对于Bi/W18O49@GF-2体系，适量单原子铋的引入显著提高了O-def密度和C-dl，并形成了独特的Bi-O-W配位结构，为钒物种的富集吸附和活化提供了高效的电子介质和丰富的定制活性位点，从根本上最大限度地减少了负极反应的Rct。因此，显著加速了V3+/V2+的电荷转移动力学和有效的氧化还原转化，最终大幅提升了整个电池的整体效率。此外，电池在300mA cm⁻²下实现了77.6%的更高EE，在200mA cm⁻²下则达到83.9%。最后，基于Bi/W18O49@gF-2的电池在300mA cm⁻²下进行长达3000次循环测试时，其容量衰减速率极低，仅为每循环0.024%。   4.催化机制的理论研究 图5.催化机制研究 铋原子在W18O49晶格中呈原子级分散分布；在溶剂热反应过程中，铋原子取代了钨位点，夺取晶格中的氧原子并形成具有不饱和配位的Bi–O键；这种结构重排产生了额外的氧空位，并调节了W18O49骨架的电子构型，从而显著提升其氧化还原活性。此外，结构分析表明铋的引入显著增加了局部电子密度并改变了表面结构几何形态，表明铋作为电子介体连接了W–O骨架与吸附的钒物种。 差分电荷密度分布显示在铋原子附近存在强烈的电子重新分布，电荷积聚集中在相邻的钨和氧原子周围，反映了电子从铋向W18O49的转移。投影态密度图进一步表明在费米能级附近，铋的6p轨道、钨的5d轨道和氧的2p轨道之间存在显著的轨道重叠，表明Bi-O-W网络内存在强电子耦合和高效的电荷转移通道。此外，吸附自由能显示与W18O49（-5.20eV）相比，铋掺杂表面表现出更负的吸附能（铋位点为-6.56eV，O1位点为-6.36eV，O2位点为-6.05eV），表明更有利于钒离子的吸附。总体而言，DFT模拟证实受原子级铋启发的Bi-O-W配位结构与氧空位的协同调控促进了电荷离域，并增强了金属–载体相互作用。 核心结论 本研究通过简便的一锅溶剂热策略成功制备了锚定在W18O49纳米线上的铋单原子催化剂，并将其应用于钒氧化还原液流电池中石墨毡电极的改性。原子级分散的铋中心通过稳定的Bi-O-W键与W18O49晶格高度配位，且铋的引入同时诱导了大量氧空位。这种双重调控有效提升了电极的导电性、电荷转移能力及催化活性。此外，重构的局部电子结构显著提高了酸性极化条件下HER的能垒，从而增强了V3+/V2+氧化还原可逆性。得益于原子级铋产生的协同效应，Bi/W18O49@GF-2电极对V3+/V2+表现出卓越的电催化性能，在300mA cm⁻²下实现了77.6%的优异EE和807.1mW cm⁻²的峰值功率密度。此外，电池展现出出色的长期稳定性，在3000次循环中EE衰减速率仅为0.0016%。DFT计算进一步表明铋与W18O49骨架之间的强电子相互作用导致显著的电荷重新分布、富电子的Bi-O-W界面形成、增强钒物种在铋位点的吸附以及催化位点的稳定性，从而加速了氧化还原动力学过程。

第一作者：周泽鑫 通讯作者：孙志强 通讯单位：中南大学 DOI：10.1016/j.est.2026.123054 感谢中南大学孙志强团队校稿！ 工作简介 本文提出一种基于拓扑优化的方法，用于大规模应用中的叉指状流场（TIFF）规模化设计。该方法分别在入口和出口处采用经过拓扑优化的流体分布与收集结构。通过实现均匀的流体分流，TIFF可提升电极内部的流场均匀性并降低水力损耗。实验结果表明在200mA cm⁻²下，TIFF系统的峰值效率可达79.7%；相较于传统扩展型叉指状流场（EIFF），其泵功耗降低32.8%，系统效率与电解液利用率分别提升5.3%和14.6%。此外，该方法显著缩小了大规模与实验室规模VRFB之间的性能差距，在400mAcm⁻²下，TIFF的系统效率仅比实验室低1%。此外，由于该方案无需修改电极流道结构，可直接应用于周期性流道设计，从而拓展其在其他流场类型的规模化应用潜力。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 流场结构对多孔电极内的对流传输具有关键影响，从而决定其电化学性能。传统设计（如由单一集成连接通道组成的蛇形流场SFF，以及以成对进、出口通道为特征的叉指流场IFF）已得到深入研究。在电极中，反应物的传输受肋下对流控制，该对流由相邻通道间的压力差驱动。因此，SFF虽表现出优异的电化学性能，但需付出更高的泵功损耗代价。先前的研究表明，在入口和出口处设置流体分流结构是减少水力损失、提升反应物分布均匀性的有效策略。此外，通过拓扑结构优化可实现最佳的流体分流效果。Gilmore等人成功开发出一种利用该方法实现均匀流场分布的流体分流结构。研究结果表明经过拓扑优化的流体分流结构将各支路间的流量差异从19%降至1%。更重要的是，该方案无需对电极内的流道结构进行改造，且对流道配置的要求极低，因此成为解决当前VRFB规模扩展难题的理想解决方案。 核心内容 1.二维拓扑结构优化结果 图1拓扑迭代过程、最优结果以及不同分支量下的速度分布 经过多轮迭代计算后，拓扑结构在第100次迭代时逐渐成形，并于第150次迭代时达到最终形态。速度分布结果表明：通过在分支入口处构建平滑且不规则的块状结构，拓扑区域实现了各分支间流量的初始平衡；然而这些块状结构无法完全实现流量均等化。因此，在特定分支入口处增设专用固体区域以调控电解液流量。虽然会增加整体流动阻力，但却是实现更均匀流场分布的必要折衷方案。随着n值增大，优化后的几何结构日趋复杂；相比之下，专为收集设计的拓扑区域则通过在分支出口与主出口之间构建更流线型的流道结构来最大限度降低流动阻力。   2.网格独立性检验与模型验证 图2网格独立性检验和模型验证 本研究中，几何结构采用六面体网格进行离散化处理。当网格数量超过1300000时，相对计算误差小于0.1%。为平衡计算精度与成本效益，后续计算均采用1300000网格系统进行。相对容差设定为1×10⁻⁴。通过将数值模拟的充放电曲线与文献中报道的数据进行比较，验证了模型的可靠性：模拟结果偏差低于3%，充分证明了该模型在仿真中的高精度与可靠性。   3.不同分支数量下的性能 图3.不同分支的流场示意图和流动偏转率 研究表明，经过二维拓扑结构优化的分布器在n=3、6和9的配置下能够实现近乎均匀的分支流速。鉴于VRFB电池可在不同流量范围内运行，研究人员进一步通过计算三维TIFF模型中0.625、1.25、2.5、5和10mL min⁻¹ cm⁻²下的流场分布，验证了优化分布器的稳定性。流量对应的入口雷诺数分别为138、275、550、1100和2200，均处于层流状态范围内。   3.1流量特性比较 所有设计方案在设计工况点均表现出高度均匀性，偏差均低于3%。n=3的配置方案性能尤为突出，最大偏差仅为1.1%。随着实际流量偏离设计工况点，流动均匀性逐渐下降：在低流量条件下，边缘分支处的流体流量减少，而流向中心分支的流体逐渐集中；相反，在高流量条件下，中心分支的流体流量减少，导致流体更倾向于向边缘分支分布。在低雷诺数条件下，粘性效应占主导地位，降低了阻塞结构促进流体分裂及增强中心流浓度的效果；而在较高雷诺数条件下，惯性效应日益显著，阻塞结构会将更多电解液导向边缘分支。 总之，n=3的设计方案在整个研究范围内将流动偏差控制在2.6%以内。相比之下，n=6和n=9的结构最大流动偏差分别达到11%和24%，表明随着分支数量增加，该拓扑结构的适用性逐渐降低。因此，n=3设计成为最适用的选择方案。 3.2电化学性能的比较 图5.不同分支的电化学性能 三种设计方案均呈现出独特的条纹状流速分布特征，沿电极垂直方向呈现周期性的高低波动。此外，靠近进出口处的通道具有更短的流路和更低的水力阻力，有助于促进这些区域的流体聚集。随着分支数量增加，进出口附近通道与边缘通道之间的水力阻力差异逐渐减小，从而使电极内部流速分布更加均匀。 此外，随着分支数量的增加，电极内部反应物浓度的均匀性显著提升。这种浓度均匀性的改善有效缓解了浓度极化现象，从而对电化学性能产生积极影响。不过由于在当前特定流速下反应物供应充足，三种设计方案之间的浓度差异仍然较小；预计在较低的特定流速条件下，此效应会更加明显。同时，近乎重合的充放电曲线进一步表明，在所研究的实验条件下，浓度均匀性的提升对电化学性能的影响较为有限。 三种结构配置下综合性能的定量评估结果显示表明随着分支数量增加，各项性能参数均呈现不同程度的提升。其中最显著的改进体现在泵功耗降低方面：当n=9时，其功耗较n=3降低了45%。此外，从n=3到n=9，电极内部电解液平均流速提升了21.1%，表明对流效应得到增强。良好的流体力学性能为电化学反应奠定了基础，而足够高的反应物浓度则有效缓解了流动动力学对系统性能的影响。因此，相较于n=3结构，n=9结构的SE值仅提高0.8%，主要得益于泵功耗的降低。在实际应用中，电池流速并非恒定，因此所选结构需能适应不同的流速变化。其中，n=3结构在雷诺数130–2200范围内能保持各分支间流体分布均匀，具有最广泛的适用性。综上所述，n=3构型具有更高的适用性且对系统效率的影响微乎其微。   4.EIFF与TIFF的性能对比 图6 EIFF与TIFF性能对比 TIFF结构在流道内表现出显著改善的流速分布，有助于电解液携带的反应物在整个电极表面均匀分布，从而促进高效电化学反应的发生；而EIFF结构则使电解液浓度主要集中在电极中心区域，并在框选区域内存在明显的低流速区，表明单入口流道结构在扩大规模时难以在整个电极区域实现充分的反应物浓度分布，因此必须采用分流结构。此外，电极内部的流速分布均显示框选区域内存在持续存在的低流速区。虽然TIFF结构的分支入口附近也存在局部高流速区，但整体分布均匀性较EIFF结构明显提升。 同时，在框选区域内清晰呈现了一个明显的低浓度区域。相比之下，TIFF的结构确保了通过该区域的足够电解质灌注，从而提高了反应物浓度并有效地提高了浓度均匀性。根据能斯特方程，较高的反应物浓度可降低电池的充电电压平台，同时提高其放电电压平台。因此，TIFF技术能改善电极内的电解质分布，优化反应物均匀性，提升充放电电压平台性能，从而最终提升电池整体性能。 图7电化学性能对比 随着流速增加，两种结构的泵功耗均显著上升，且在较高比流量下增长速率更为陡峭。当流速为10mL min⁻¹ cm⁻²时，TIFF的泵功耗仅为57W，较EIFF的107W功耗降低了47%。随着电极面积增大，泵功耗在VRFB输出功率中的占比显著升高。同时，TIFF较低的泵功耗显著提升了电池性能。 此外，TIFF的泵功率损耗比EIFF低32.8%，而电极内部电解液的平均流速提高了14.1%，表明TIFF具有更低的流动阻力和更强的电极处对流强度，有助于反应物的供给与产物的释放。而且，TIFF中的反应物浓度比EIFF高17.7%，反映出其充放电平台更为优化；同时，TIFF的反应物均匀性较EIFF提升13.4%，表明反应过程中浓度极化现象有所减弱。 综上所述，通过提升流体动力学性能，TIFF不仅降低了泵功耗损失，还能促进更充分、更均匀的电化学反应，从而改善系统整体性能。因此，其系统效率比EIFF高5.3%，其中0.6%归因于泵功率损失的减少，4.7%归因于电化学性能的提高。此外，电解液利用率提高了14.6%，表明放电过程更为完全。   5.TIFF与IFF之间的性能比较 图8IFF与TIFF之间的性能比较   尽管TIFF相较于EIFF表现出更优性能，但充放电电压平台仍低于IFF，表明TIFF的电化学性能尚未达到与实验室规模配置相当的水平。 VE结果显示两种方法的VE均随比流率升高和电流密度降低而增加，在3.5mL min⁻¹cm⁻²和200mA cm⁻²下达到峰值。然而，在相同实验条件下，TIFF的VE始终低于IFF。同时，提高比流率可增强反应物均匀性，从而缓解浓差极化现象。但在200mA cm⁻²下，随着比流率的增加，TIFF的VE提升幅度逐渐减弱，两者之间的性能差距也随之扩大，表明当比流率增加时，TIFF中反应物均匀性的提升作用逐渐减弱，此时反应动力学对电池性能的影响更为显著。 此外，尽管在相同条件下TIFF的SE仍低于IFF，但两种配置的性能变化趋势存在显著差异：IFF的SE随比流率增加而上升，表明最佳比流率很可能超过2.5mL

第一作者：肖伟 通讯作者：张登华 通讯单位：辽宁石油化工大学 DOI：10.1016/j.ces.2026.124380 感谢辽宁石油化工大学张登华/肖伟团队校稿！ 工作简介 本研究提出一种“通道重构”策略，将原位聚合的聚苯胺包覆氧化石墨烯填料嵌入聚合物基体中。与物理混合不同，导电聚苯胺外壳兼具双重界面工程功能：通过强效的酸碱相互作用消除非选择性界面空隙，同时连接孤立的离子簇以促进通过格罗特胡斯机制实现的快速质子传输；此外，填料表面电荷反转形成的强烈唐南排斥屏障可有效排斥带正电的钒离子。基于此，组装后的单电池在100mA cm⁻²下达到86.33%的EE，在200mA cm⁻²时仍保持81.22%的EE，显著优于商用N212基准材料。长期测试表明该膜在800次循环中仍保持出色的容量保持率，充分验证了该复合膜的结构完整性和化学稳定性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 目前，以商用Nafion系列为代表的全氟磺酸（PFSA）膜主导着VRFB市场。其优势源于高质子传导性以及对强氧化性钒电解液具有优异的化学稳定性。PFSA的卓越导电性能源自独特的微相分离结构：在疏水性聚四氟乙烯骨架中，亲水性磺酸基团聚集成直径约4–5纳米的互连水通道。然而，这种结构在导电性与选择性之间存在根本且持续的权衡；水合钒离子的斯托克斯半径与水合氢离子相当，因此钒离子可随浓度梯度轻松渗透这些通道，会导致严重自放电、电解液失衡及不可逆容量衰减，最终阻碍了钒液流电池的广泛应用。 核心内容 图2膜的形貌及性质 原始PFSA膜呈现典型的致密结构，而填充未改性氧化石墨烯（GO）的膜横截面则可见大量白色颗粒状聚集体及明显的微孔结构。这些缺陷源于无机GO片层与有机PFSA基质之间的热力学不相容性及弱界面粘附力，从而导致相分离。相比之下，P@GO-Pani膜横截面看起来明显更光滑、更致密，没有可见的空隙或大的团聚体，表明聚苯胺壳层可作为有效的相容剂。 采用应力–应变曲线显示与P@GO和原始PFSA膜相比，P@GO-PANI复合材料表现出优异的机械强度。并且在所有样品中，P@GO-Pani膜具有最高的拉伸模量和拉伸强度。相反，加入未改性的氧化石墨烯会导致机械性能下降，归因于填料聚集及界面缺陷。相比之下，P@GOPANI膜优异的机械性能则能实现更高效的应力传递。 虽然所有膜材料均保持适合质子传输的相近吸水水平，但溶胀行为存在显著差异：P@GO膜表现出较高的溶胀比，很可能源于水合过程中界面空隙的扩张；而P@GO-Pani膜在测试样品中溶胀比最低，证实其“重构通道”具有结构稳定性。降解测试显示原始PFSA膜和P@GO膜分别表现出较高的重量损失（分别为4.65%和3.24%），表明易受自由基侵蚀；而P@GO-Pani膜则展现出最佳稳定性，重量损失最低仅为1.65%。 图2电导率和选择性 原始PFSA膜表现出与商业标准品一致的基础导电性；而直接掺入未改性的GO则导致面电阻显著增加。尽管GO片层边缘具有质子传导功能基团，但溶胀且绝缘的基面破坏了聚合物基质内离子簇的连续性，从而形成迂回路径和孤立区域，阻碍了质子的有效迁移。而P@GO-PANI膜克服了这一限制，在所有测试样品中实现了最高的质子电导率。此外，P@GO-Pani膜展现出1.571×105S min cm-3的优异离子选择性，远超商用N212膜（4.37×104S min cm-3)）及近期报道的其他复合膜。 图3电池性能 P@GO-Pani膜在所有测试样品中展现出最高的CE，在高电流密度下仍保持超过98%的数值。相比之下，原始PFSA膜和N212膜的效率较低，表明存在显著的钒渗漏现象。同时，VE数据表明P@ GOPANI膜的表现优于对照组，归因于降低的面电阻和重构的质子传输通道有效抑制了欧姆极化效应。因此，P@GO-Pani膜在100mA cm-2下实现86.33%的优异EE，在200mA cm-2时仍保持81.22%，高于商用N212材料。 图4长循环性能 在200mA cm-2下，P@GO-PANI膜在800次循环后保持49.33%的容量保持率。相比之下，P@GO膜在同一使用周期内仅为27.86%。商用N212膜在第540次循环时达到51.83%，但此后无法持续运行，充分证明了该混合结构体系具有卓越的结构完整性及高效的离子阻隔能力。此外，循环使用后的膜谱与新鲜样品几乎完全一致：关键特征峰均保持良好状态，未出现显著位移或强度衰减。 核心结论 本文通过将聚苯胺包封的氧化石墨烯填料引入PFSA基质中，成功制备出高性能纳米复合膜。该设计巧妙利用原位聚合的聚苯胺壳层同时作为相容剂和质子促进剂，有效解决了导电性与选择性之间的权衡问题。这种杂化填料通过氢键网络修复界面缺陷，并借助其共轭骨架重建连续的质子传输通道；同时，填料表面的正电荷产生显著的Donnan排斥效应，抑制钒离子渗透。实验结果证实优化后的膜具有优异的氧化稳定性，Fenton试剂的重量损失最小，为1.65%。组装后的单个电池单元实现了86.33%的峰值能量效率，并在800次充放电循环中展现出卓越的耐久性且未出现显著性能衰减。

第一作者：袁先之 通讯作者：梁振兴、黄明保、万凯 通讯单位：华南理工大学、中山大学 DOI：10.1016/j.ces.2026.124436 感谢华南理工大学梁振兴团队（第一作者：袁先之）校稿！ 工作简介 本研究将多物理场建模与实验验证相结合建立了基于化学特性的电极结构尺度原理。在水系有机液流电池（AORFB）中快速反应动力学与低离子导电率的耦合作用使得88.0%的电化学反应仅发生在1.1 mm厚的近膜区。这种空间局域性导致传统厚电极的大部分结构变得冗余，成为寄生欧姆耗散和泵耗的主要来源。相反，全钒体系的缓慢反应动力学要求反应分布范围扩大至2.5 mm，以降低活化过电位。通过将电极物理尺寸与有效反应深度相匹配，采用0.60 mm电极可显著提升AORFB的效率。这种针对性结构优化消除了冗余传输路径，在保持80%EE的前提下，实验显示电流密度提升两倍（从60 mA cm-2增至120 mA cm-2）。此外，最优电池单元的峰值体积功率密度达到约3000 mW cm-3（提升幅度达681%）。基于这些发现分析得出了一条依赖于化学特性的尺度定律参数图谱，证实最佳电极厚度本质上由动力学–传输区间的转变所决定。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 液流电池的性能从根本上取决于动量、质量及电荷传输过程与多孔电极内部非均相电化学动力学之间的耦合作用。因此，电池内部结构在很大程度上决定了系统效率与功率密度。最新研究表明，通过优化流体分布和电极压缩比来改进这些结构，已被证实能有效提升功率输出。例如，在蛇形流场中采用20%的电极压缩比，实现了151.6 mW cm-2的峰值功率密度，既提升了电极内电解液流速又促进了物质均匀分布。尽管取得这些进展，目前仍缺乏适用于AORFB结构设计的统一框架。 核心内容 图1.动力学依赖性反应分布分析 全钒液流电池（AVRFB）在整个电极体积内保持相对均匀的反应速率，而AORFB则表现出高度局部化的反应区，集中于膜–电极界面附近薄层。定量分析表明AORFB中的有效反应渗透深度仅限于紧邻膜层的1.1 mm狭窄区域，占总电流的88.0%；相比之下，AVRFB的反应区延伸范围超过2.5 mm。显著的空间异质性源于快速电荷转移动力学与电解质传输限制的共同作用。首先，紫精类物质的本征电子转移速率常数（k0=2.8×10-5m s-1）比传统钒基化合物（1.7×10-7m s-1）高出两个数量级。根据Butler-Volmer动力学理论，高活性有机体系仅需约1%的有效比表面积即可维持同等宏观电流强度。其次，AORFBs中使用的中性水基电解质的离子电导率（约115.0 mS cm-1）比多孔碳基质的固相电子电导率（约1000 mS cm-1）低一个数量级。为最大限度降低整体欧姆耗散，反应优先发生在离子传导路径最短的区域。因此，AORFB在有效反应穿透深度远小于物理电极厚度的情况下运行。 通过耗散分析可以看到，与反应相关的耗散主要集中在紧邻膜结构的狭窄区域；相比之下，泵送耗散密度在整个流场域内保持均匀分布。在这几类耗散中，欧姆损失密度数值最大，并贯穿整个电极厚度。在AORFB中，负极和正极的欧姆耗散分别占总功率损失的22.8%和21.7%。综合数据可知反应区因动力学特性导致的空间分布使得电极主体部分的大部分区域未能得到充分利用。在高活性有机体系中，这种冗余体积不仅无法提升反应通量，反而会引发不必要的欧姆耗散和寄生泵送耗散。 图2电极厚度变化的影响 减薄电极厚度可有效缩短冗余的电荷传输路径，从而抑制欧姆耗散并提高电极利用率。具体而言，将厚度从3.0 mm降至0.60 mm时，欧姆耗散从14.2 mW降至5.6 mW（降幅达60.6%）；泵送耗散则从3.68 mW相应地单调下降至0.756 mW（降幅79.5%），降幅几乎与体积变化成正比，归因于压力驱动耗散在流场中的均匀分布。相比之下，浓度损失和活化损失在较大厚度下保持相对稳定，但当电极厚度低于先前确定的反应渗透深度（1.1 mm）时则开始迅速上升。这是因为当物理厚度小于该特征深度时，可用反应表面积不足以维持低过电位下的宏观电流，需要增加局部电流密度，从而加剧活化耗散和传质耗散。尽管存在升高的活化耗散与浓差耗散，但由于欧姆耗散占主导地位，总耗散仍从21.4 mW持续降至11.6 mW；当厚度为0.60 mm时，边际总耗散趋近于零。在此临界厚度下，欧姆耗散与浓度损失达到相近量级，标志着系统从以欧姆效应为主导的状态转变为受耦合传输–动力学限制共同支配的状态。 此外，当电极厚度从3.0 mm减小至0.60 mm时，净放电功率从342.4 mW提升至438.0 mW；而净体积功率密度则从140.5 mW cm-3增至845.5 mW cm-3，体积功率输出实现了502%的提升。 图3实验验证电池性能

第一作者：叶锋 通讯作者：王天虎 通讯单位：华北电力大学 DOI：10.1016/j.est.2026.123167 感谢华北电力大学王天虎团队校稿！ 工作简介 本研究提出并实验制备了一种将具有内在微孔结构的磺化聚合物（sPIM-1）整合到Nafion中的复合膜。通过系统优化sPIM-1负载量，最优配比为7%sPIM-1/Nafion的膜材料实现了卓越的离子选择性（1.95×10⁵ S min cm⁻³，是Nafion的2.87倍），同时保持了较高的质子传导率（210.96 mS cm⁻¹）。由于化学质子传输路径（由-SO₃H介导）与物理质子传输路径（刚性多孔网络）的协同作用，采用该复合膜构建的钒液流电池展现出显著延长的自放电时间（延长率达70.7%）和优异的循环耐久性，在1000次循环后仍保持86.6%的EE，性能远超基于Nafion的体系。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 IEM在VFB中起着关键作用，其功能包括分离电解质、防止钒离子渗透，并选择性允许H+传输以维持电荷平衡。鉴于Nafion膜具有优异的化学稳定性、高质子导电性以及相对较低的钒渗透性，过去几十年间它一直被视为行业标准。然而，该膜材料成本高昂（约占初始投资成本的30%），成为阻碍VFB大规模商业化的主要因素。为提升性能，学界已通过向Nafion基质中添加无机、有机或混合填料对这类膜进行多种改进；这些改性方法利用了Nafion与填料之间的相互作用来增强IEM的性能。 核心内容 1. sPIM-1的结构与形态 图1. PIM-1与sPIM-1的特性分析 FTIR显示原始PIM-1的谱图在2239.85cm-1处显示出特征性的-CN振动峰；相比之下，sPIM-1的谱图在1043.43cm-1处出现额外峰，对应-SO3H基团，表明磺化反应成功完成。在磺化过程中，sPIM-1峰谱中的多个-CN键可水解为酰胺键（-CO），其特征振动峰出现在1687.71cm-1处。然而，2239.85cm-1处的-CN吸收键几乎保持不变，表明只有一小部分-CN经过水解形成酰胺键，而绝大多数在磺化过程中被保留下来。与原始PIM-1相比，sPIM-1表现出更高的硬度、脆性和表面粗糙度。 XPS显示PIM-1中存在C1s（285eV）、N1s（400eV）和O1s（534eV）的特征峰。磺化处理后，sPIM-1在168.7eV处出现新的S2p峰。高分辨率C1s谱图揭示原始PIM-1在284.5eV和286.8eV处呈现两个主要组分，分别对应C–C和C–N键，证实其合成成功；而sPIM-1在288.7eV处出现额外峰，直接证明了–SO₃H基团已成功引入聚合物主链。   2. sPIM-1/Nafion的表征 图2. 扫描电子显微镜（SEM）图像 合成后的膜具有均一性且无相分离现象，表明sPIM-1与Nafion充分融合，显著提升了复合膜的耐久性。EDS显示随着sPIM-1掺杂比例升高，硫含量呈现明显上升趋势，证实了-SO3H基团的逐步引入。水化过程中，-SO3H基团解离释放出可移动H+，而-SO3H基团本身则保持为固定电荷位点；升高的-SO3H浓度为质子解离与交换提供了丰富位点，并显著增强膜的亲水性。随后水分吸收量的增加促使聚合物基质内形成高度连通的水合介导网络。 重量随温度变化关系图显示200°C以下的初始重量损失主要归因于与亲水性-SO3H基团相关的物理吸附水的蒸发。对于原始Nafion膜，约300°C时因侧链上-SO3H基团的分解而出现显著重量损失。与原始Nafion相比，sPIM-1/Nafion复合膜在中温区间（300–380°C）表现出延迟的质量损失，表明对过早热分解的抗性增强。此现象归因于刚性的sPIM-1框架结构及其在Nafion基质中的均匀分布，限制了Nafion链的段落运动性，从而延缓了热诱导分解。在380–500°C温度范围内，复合膜的重量损失速率快于原始Nafion；该现象源于复合材料中sPIM-1与Nafion组分共同发生的热分解作用。然而，当温度超过500°C后，sPIM-1/Nafion复合膜的质量损失速率减缓，而Nafion则持续降解直至其重量在530°C附近稳定，因此在整个热降解过程中复合膜的总质量损失始终低于原始Nafion。结果表明sPIM-1的引入通过延缓热降解的发生并减少加热过程中的总质量损失，从而提高了膜的整体热稳定性。   3. sPIM-1/Nafion的特性 图3. 不同膜的渗透性和离子选择性 与原始Nafion膜相比，所有复合sPIM-1/Nafion膜均表现出降低的VO2+渗透性，其中在sPIM-1负载量为7%时达到最低值。此外，采用7% sPIM-1/Nafion复合材料制备的VFB展现出显著延长的自放电时间，较纯Nafion材料（20.67小时）延长了70.7%，充分证明其优异的抑制钒离子跨膜渗透能力。极化曲线显示复合膜可实现更高的放电电压及264.26mW cm⁻²的最大功率密度，归因于其更低的整体电池电阻。定量分析表明在180mA cm⁻²下，功率密度较纯Nafion材料提升10.9%。结果与较低的钒离子渗透率及较高的库仑效率一致，共同证实sPIM-1的刚性微孔结构在Nafion基质中形成了高效的分子筛结构，在提升离子选择性的同时并未牺牲导电性能。   4.电池性能 图4. Nafion与sPIM-1/Nafion膜的VFB性能 随着电流密度逐渐增加（80–220mA cm-2），含7% sPIM-1/Nafion复合材料的VFB的CE从96.6%提升至98.46%，原因在于单次充放电循环中的完成时间随电流密度增大而缩短，从而降低了钒离子的跨膜渗透率。在电流密度低于140mA cm-2时，VFB的CE与纯Nafion相当；但在160–200mA cm-2范围内则显著提升。相反，由于过电位和欧姆极化效应增强，VE随电流密度升高而下降。与CE类似，在电流密度低于140mA cm-2时，含7% sPIM-1/Nafion的VFB的VE与纯Nafion相近；但当电流密度超过140mA cm-2时，加速的跨膜迁移导致钒离子渗透性增加，加剧了双电极间的浓差极化效应，从而降低VE。此外，当电流密度达到200mA cm-2时，sPIM-1/Nafion复合膜的EE仍保持79.44%，较传统Nafion（74.27%）提升5.17%。总体而言，由含7% sPIM-1/Nafion复合材料组装而成的VFB表现出优异的EE，表明sPIM-1在Nafion基质中的分散作用可同步提升钒离子排斥能力与质子传导性能。 同时，充放电特性曲线显示随着电流密度从80增加到200mA cm−2，Nafion的放电容量从1471.49降低到726.86mAh，而sPIM-1/Nafion仅从1240.8mAh降低到924.2mAh。 图5. 长期循环性能 采用7% sPIM-1/Nafion复合膜的VFB在经历830次循环后仍能维持初始容量的66.1%，优于Nafion单一膜仅36.1%的容量保持率。并且，在长期循环测试中，该复合膜在CE和VE方面均明显优于纯Nafion膜。

第一作者：向维哲 通讯作者：梁振兴、万凯 通讯单位：华南理工大学、中山大学 DOI：10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.129144 感谢华南理工大学梁振兴团队（第一作者：向维哲）校稿！ 工作简介 本研究采用U-Net代理模型和约束进化算法，在离散哈密顿路径设计空间中，对高黏度且黏度随SOC变化的水系有机氧化还原液流电池（AORFB）进行流场拓扑优化。U-Net代理模型基于多物理场仿真数据训练，能够快速预测空间过电位分布并降低候选流场的评估成本；进化搜索则突破了有限结构库筛选的限制，实现了流场拓扑的迭代优化。以FcNCl/(ATBPy)Cl4体系为例，在50% SOC下，优化流场相较于传统蛇形流场使平均反应物浓度提高66.6%、平均过电位降低12.7%、压降降低15.1%、放电电压提高5.54%。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 叉指流场（IFF）和蛇形流场（SFF）等典型流场拓扑已广泛用于改善反应物输运、减少滞流区和缓解极化，并在全钒液流电池（VRFBs）中形成了较成熟的设计方法。然而，在AORFBs中，流场设计还受到有机活性分子的结构所决定的电解质物理化学性质的进一步限制。电解液的黏度及其状态依赖性和活性物质的扩散特性，均由分子间相互作用及浓度依赖的溶液行为共同决定。这些物性与流体动力学控制的界面传质及电化学反应动力学相互耦合，进而影响流动阻力、局部电解液补给，以及反应物传质与电化学反应需求之间的匹配。因此，AORFB的流场性能对具体有机活性物质的物理化学性质更为敏感。其流场优化需要面向特定电解质体系，关键在于构建与电解液物性相匹配、能够持续有效供给反应物的流场拓扑。改善反应物分布仍是核心目标，但最佳拓扑难以直接依据传统低黏度液流电池的流场设计经验确定。 核心内容 图1 整体工作流程示意图 本研究首先利用哈密顿路径生成算法构建随机流场拓扑，并通过三维多物理场仿真获得相应的过电位分布。随后，将流场拓扑栅格化，并与对应的过电位分布配对构建数据集，用于训练U-Net代理模型。在此基础上，以代理模型快速评估候选结构，并结合满足哈密顿路径约束的进化算法，通过持续变异和迭代搜索，在离散拓扑空间中获得性能更优的流场结构。 图2 训练与验证 在在500个训练周期中，模型的训练损失在约200个周期后趋于稳定，验证性能也不再提升，表明模型已基本收敛。模型在验证集上的R2达到96.67%，预测值与模拟值的散点紧密分布在1∶1一致性线附近。训练集和验证集的MAPE累积分布较为接近，其中验证集MAPE中位数为3.70%，90%分位数为4.88%。相近的误差分布表明模型具有良好的泛化能力，未出现明显过拟合。 验证集和独立测试集的可视化结果表明，模型预测的过电位空间分布及其梯度变化均与多物理场模拟结果较为吻合。即使在复杂的流道转折区域，模型也能捕捉局部过电位变化，未出现明显的预测伪影或边界失真。预测结果还能够准确保持流道与肋区的几何边界，说明U-Net可以较好地复现空间过电位分布。这主要得益于跳跃连接对全局特征与局部空间细节的有效融合。 综合R2和MAPE的评估结果，U-Net模型具有较好的预测精度，可作为流场拓扑搜索中的快速评估工具，从而大幅减少候选结构所需的多物理场模拟计算。 图3 进化算法（EA）方案 在搜索初期，将目标分位数设为q=0.8，并采用较大的τearly，使算法更容易保留与父代差异较大的子代，从而扩大拓扑搜索范围。中期采用q=0.5和τmiddle，兼顾较大范围探索与局部优化。后期将目标分位数调整为q=0.2，同时减小τlater，使算法优先选择ρedge接近R*且与父代差异较小的子代，从而集中开展局部优化。随着参数逐步调整，实际获得的ρedge由初期较高且分布较宽，逐渐转变为后期较低且分布更集中，表明搜索过程由广泛探索逐步转向局部优化。 收敛曲线表明，该搜索策略能够有效改善流场拓扑。随机搜索的群体平均过电位在大部分搜索过程中均高于55 mV，搜索期间获得的最优值也仅有小幅改善，说明随机筛选难以高效找到性能较优的拓扑结构。EA搜索在前20代中实现了群体平均过电位和当前最优过电位的快速下降，表明算法能够迅速进入较低过电位的拓扑区域。此后，随着搜索转向局部优化，过电位下降速度逐渐放缓，群体平均值最终稳定在约53 mV。 排名前三的EA方案在30%、50%和70% SOC下的平均过电位均处于52.89–52.97 mV之间，最大差值小于0.1 mV，且拓扑结构高度相似。这说明EA已收敛至包含多个相近优选解的高性能拓扑区域，并在后期通过小幅结构变异进行局部优化。随机搜索获得的最佳方案为55.41 mV，较EA最优方案高约2.5 mV，即约4.5%。由此可见，在高维哈密顿路径设计空间中，EA比无引导随机搜索更容易找到低过电位的流场拓扑。 图4 SFF与EA优化流场的性能 在50% SOC下，EA优化流场在近膜特征截面的更大电化学活性区域内维持了较高的反应物浓度cR，说明其反应物补给能力优于传统SFF。局部极限电流密度Ilim与kmcR成正比。尽管EA优化流场的平均传质系数km略低，但较高的cR占主导作用，使其平均Ilim较SFF提高69.6%。在局部电流密度最高的前10%、5%和1%区域内，EA优化流场的平均I/Ilim均低于SFF，表明其具有更大的局部传质余量，更不易接近传质极限，因此能够维持较低的过电位。。 EA优化流场具有最低的平均过电位和入口压力，分别为42.91 mV和4.71 kPa，较SFF基准方案降低12.7%和15.1%。随机搜索获得的方案虽然也有所改善，但整体性能仍低于EA优化方案，说明EA能够更有效地搜索离散拓扑空间并找到性能较优的流场结构。排名前三的EA方案具有相近的目标值，表明其性能提升具有较好的稳定性，算法最终收敛至一组性能相近的优选拓扑结构。 核心结论 本研究针对高黏度且黏度随SOC变化的水系有机氧化还原液流电池开展流场优化。由于流场性能受到有机电解液物理化学性质的显著影响，传统低黏度液流电池的设计经验难以直接用于确定其最优拓扑。为此，本研究在离散哈密顿路径空间中构建了代理模型辅助的逆向设计框架，结合随机路径生成、三维多物理场仿真、U-Net代理模型和进化搜索，实现了突破有限结构库筛选限制的迭代优化。U-Net代理模型在验证集上的R2达到96.67%，MAPE中位数为3.70%，并将单个候选结构的评估时间由数小时缩短至毫秒量级。在50% SOC和120 mA cm-2下，EA优化流场相较于传统蛇形流场使平均反应物浓度提高66.6%、平均过电位降低12.7%、压降降低15.1%、放电电压提高5.54%。

第一作者：王峄杰 通讯作者：黄康 通讯单位：南京工业大学 DOI：10.1016/j.ces.2026.124431 感谢南京工业大学黄康团队（第一作者：王峄杰）校稿！ 工作简介 本文提出了一种针对ZIF-8的亚分钟级电化学沉积–碳化策略，可在碳毡表面快速构筑具有层级多孔结构、缺陷丰富的碳架构，从而优化碳毡电极的电子结构并提升其对钒氧化还原反应的催化活性。通过超快电化学沉积法制备的ZIF-8前驱体在后续热碳化过程中会发生配体分解和金属节点去除，形成相互连接的介孔结构，促进电解质渗透与传输，同时引入高密度拓扑缺陷及费米能级附近具有高电子态的不饱和碳位点。所得碳架构可通过可扩展的单步电化学路线均匀锚定于碳纤维上，兼具结构稳定性以及丰富且易于获取的活性位点，从而加速关键的VO2+/VO2+和V3+/V2+氧化还原反应。采用ZIF-8衍生碳电极的钒液流电池（VFB）在160mA cm⁻²和200mA cm⁻²时分别展现出82.7%和79.3%的EE，并在200mA cm⁻²下经500次循环仍保持优异的循环稳定性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 作为钒液流电池（VFB）的核心组件之一，电极是阳极液与阴极液氧化还原反应的发生场所，直接决定着电池的效率和功率密度。碳毡因成本低廉、导电性优异且化学稳定性高，在VFB中得到广泛应用。然而，固有的催化活性和电化学活性较差，限制了电池的功率输出，成为阻碍VFB广泛应用的主要障碍。 核心内容 1.材料结构表征 图1不同电极SEM和结构特点 原始CF呈现规则的圆柱状结构且表面光滑；而沉积处理后的CF-50–30表面则均匀覆盖着大量边界清晰的多面体颗粒。通过CF-50–30高温热解制备的PCF-50–30的碳化过程促使ZIF-8在碳毡表面发生形态演变，典型的明确多面体结构转变为更光滑的颗粒及不规则团簇结构。FT-IR光谱显示原始CF仅显示微弱的红外吸收峰，表明表面化学官能团极少，主要由非晶态或石墨状碳构成；而且，在氩气氛围下于800°C煅烧后，CF的FT-IR光谱未出现明显变化。作为对照，空气环境中800°C煅烧的碳毡其FT-IR光谱则呈现显著变化，证实氧化气氛下的高温处理会改变碳毡的表面化学组成。 XRD分析结果证实了ZIF-8已完全碳化。CF-50–30样品在2θ≈12.8°处的衍射峰可归属于ZIF-8的(112)晶面。然而，与ZIF-8相关的衍射峰在煅烧后消失，表明ZIF-8骨架在热碳化过程中被破坏并有效转化为ZIF-8衍生碳。拉曼光谱图显示对于PCF-50–30样品，在沉积ZIF-8并进行高温碳化后，其ID/IG略有上升，表明材料的结构有序性有所降低而缺陷密度增加。BET显示CF的吸附容量相对较低，而PCF-50–30则表现出显著更高的吸附容量，并伴有明显的滞后环。ZIF-8衍生碳电极的孔径分布显示CF的孔隙分布较为稀疏，而PCF-50–30的孔隙数量显著增加，孔道尺寸介于3至4纳米之间。上述结果表明ZIF-8沉积后经碳化处理可在碳毡表面形成大量介孔，主要归因于碳化过程中ZIF-8中有机配体的分解释放气体，从而促进了新孔结构的形成。   2.电化学性能及作用机制验证 图2不同电极的电化学性质 与CF相比，PCF-50–30在VO2+/VO2+和V3+/V2+中均表现出更高的峰值电流密度和更小的峰间电压差（ΔE）。在VO2+/VO2+体系中，PCF-50–30的峰值电流密度分别为101.41mA cm-2和-133.11mA cm-2，均高于CF电极的数值。在V3+/V2+体系中观察到与CF材料（分别为91.52mA cm-2和-116.57mA cm-2）相比，PCF-50–30的峰值电流密度分别达到112.13mA cm-2和-147.48mA cm-2。V3+/V2+电解质中更高的峰值电流密度与PCF-50–30富含缺陷的碳结构密切相关，增加的缺陷密度和未饱和碳位点为钒氧化还原反应提供了更多电化学可及的活性中心。此外，碳化过程中形成的未饱和碳位点有助于界面电子转移并提升钒离子吸附能力；而介孔结构与增大表面积则促进了电解质渗透和离子传输。同时，EIS结果进一步证实了PCF-50–30优异的电子传输和离子扩散能力。 此外，LSV评估电极上的析氢反应（HER）：在−10mA cm⁻²下，PCF-50–30电极的HER起始电位为−0.78V，CF电极为−0.57V。超过100mV的负偏移明显表明ZIF-8衍生碳电极对HER的抑制效果显著增强。 图3电极材料的密度泛函理论（DFT）计算结果 对于VO2+的吸附，ZIF-8衍生碳电极的吸附能为1.69eV，而未改性电极仅为0.31eV；对于VO2+的吸附，ZIF-8衍生碳电极的吸附能为1.62eV，远高于未改性电极的1.34eV。吸附能的升高可归因于富缺陷碳骨架提供了更多不饱和配位位点以及与钒物种更强的电子相互作用。态密度分析表明，与未改性的碳毡相比，ZIF-8衍生碳电极在费米能级（0eV）处表现出显著更高的态密度，表明本征电子导电性增强。并且，缺陷工程材料在费米能级附近表现出显著升高的态密度。总体而言，态密度分析证实ZIF-8改性引入的结构缺陷有效提升了电极的电子态密度，从而促进电子传输并改善电催化反应动力学。   4.VFB电池性能 图4不同电极的电池性能 与CF相比，配备PCF-50-30的电池在40-240mA cm-2内始终表现出更高的库伦效率（CE），反映出电化学可逆性增强和副反应减少。在电压效率（VE）方面，PCF-50–30展现出显著优势。在电流密度为40mA cm⁻²时，VE达到95.8%，而CF电极仅为92.2%。随着电流密度增加，PCF-50–30的VE在200mA cm⁻²时仍保持高达80.4%，而CF电极的VE则降至约68.6%。因此，在整个电流密度范围内，PCF-50–30均表现出持续高于CF电极的能量效率（EE），归因于PCF-50–30优异的电子导电性及增强的氧化还原反应动力学特性。 此外，PCF-50–30在200mA cm⁻²下可提供261mAh的放电容量，显著高于CF的194mAh，表明ZIF-8衍生多孔结构能更高效地利用电活性物质并改善氧化还原动力学。长循环测试显示在200mA cm⁻²下，PCF-50–30在500次循环中保持约80%的EE，未出现明显性能衰减，性能优于CF电极。 核心结论 本文通过将ZIF-8以超快速、高精度的方式电化学沉积于碳毡表面，随后进行高温碳化处理成功制备了基于ZIF-8的碳电极。与碳毡电极相比，ZIF-8衍生的碳电极在比表面积和分级孔结构方面表现出显著改善，协同增强了电极润湿性并加速了电解质扩散。在电化学性能评估中，ZIF-8衍生碳电极展现出显著提升的电催化活性和加速的氧化还原反应动力学。此外，密度泛函理论计算进一步验证了该电极优异的催化性能。在VFB性能测试中，ZIF-8衍生碳电极在200mA cm⁻²下实现了79.3%的EE；经过500次循环后仍保持稳定的EE，充分体现了其卓越的循环稳定性。