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第一作者：储家琛 通讯作者：马小华 通讯单位：天津工业大学 成果简介 在膜中引入微孔可以显著降低面阻力。固有微孔聚合物（PIMs）具有丰富的微孔和大的比表面积，是由低效的链式填料形成的，在液流电池中得到了广泛的研究。在不同类型的PIM中，Tröger碱（TB）由于其富N的聚合物框架对钒离子的阻断作用，在VRFB中具有很大的潜力。本工作为了详细分析微孔隙度对阴离子交换膜性能的影响，以2，6(7)-二胺–三蝶烯（TDA）和2，6(7)-13三胺–三蝶烯（TTA）为单体，通过原位交联策略合成了一系列具有三维网络的新型Tröger基膜（DTTB-Xs），并通过碘甲烷处理获得了季铵化膜（QDTTB-Xs）。通过改变单体配比，可以精确控制孔径分布和交联度。所得膜具有良好的选择性和化学稳定性。低面电阻得益于丰富的微孔和富N聚合物骨架的存在。共价交联的聚合物网络具有较好的化学稳定性。本文对其物理和电化学性能进行了系统的研究。阐述了微孔对电池性能的影响机理。 相关成果以“In-SituCrosslinking of Tröger Base-Based Membranes with Improved Vanadium Flow BatteryProperty”发表在MacromolecularRapid Communications上。 感谢天津工业大学储家琛（第一作者）校稿！ 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 研究背景 在过去的几十年里，越来越多的传统化石能源燃烧引起了人们的极大关注，因为大量的二氧化碳排放引起了严重的环境问题。为了克服这个问题，人们利用了清洁能源，如太阳能、风能和潮汐能，因为它们容易获得，而且对环境友好。然而，这些可再生能源并不稳定。如何高效、顺利地利用这些能源已成为其大规模应用的一大挑战。近年来，钒氧化还原液流电池（VRFB）因其寿命长、功率容量可调、可靠性高而得到了广泛的发展。在VRFB系统中，质子交换膜（PEMs）是一个重要的组成部分，它同时具有分离电解质离子和传导质子的功能。目前，商业化应用的全氟磺酸膜（如Nafions）在PEMs中占主导地位，具有较高的质子导电性和优异的化学稳定性。然而，不可避免的钒离子交叉污染和昂贵的生产成本使得寻找先进的VRFB膜至关重要。与阳离子交换膜不同的是，阴离子交换膜是另一种潜在的候选材料，其表现出极低的钒离子渗透性，这是由于阳离子官能团产生大量的Donnan排斥效应，产生静电场，排斥带正电的钒离子。He等人提出了一种基于β-环糊精（β-CD）模板的低季铵化聚砜前体膜制备方法，所获得的纳米多孔AEMs在120 mA cm-2的电流密度下的库仑效率为99%。Ban 等人制备的无醚键的氟化聚芳基哌啶（芳基）膜，钒离子的渗透率低于1.4×10-8cm2 min-1。Nagadarshan等人制备了一种新型的以双阳离子功能化的聚芳醚砜膜。与现有膜材料相比，钒的低渗透率为2.1×10-7cm2 min-1，选择性为12.3×105S min cm-3。尽管它对钒离子具有优异的阻隔作用，但低电导率的问题仍有待解决。 核心内容 1．QDTTB-X的合成与表征 在7.22、7.02、6.92-6.83和6.68 ppm处有5个三蝶烯峰，在5.12 – 5.05 ppm处有桥头堡-CH2峰，在3.41 ppm处有-NH2信号，证实了TDA 的成功合成。通过-NH2在3352和1622 cm-1处的不对称/对称伸缩90振动峰，以及2953 cm-1处的脂肪C-H振动键，进一步证实了该结构，这与文献报道相符与2，6(7)-二氨基–三蝶烯相比，2，6(7)，13-三氨基–三蝶烯93对应的芳香化学信号范围为8.34 ~ 6.99 ppm, 8.07 ~ 6.64 ppm。 7.65-6.17 ppm，分别为 3.28 ppm处的宽峰为胺基（-NH2）的特征峰。此外，在3334和1614 cm-1处分别观察到氨基的对称和不对称伸缩振动峰。采用TTA和DTA在不同摩尔比下反应制备了QDTTB-X膜。 X表示TTA 含量。例如，QDTTB-10表示TTA的摩尔百分比，DTA为99.10%。用FT-IR对QDTTB-X聚合物的化学结构进行了验证。如图1b所示，在1322和1023 cm-1处检测到了C-N伸缩振动峰。这证实了TB聚合物的成功制备。为了证实QDTTB-X膜存在交联结构。所有样品在真空烘箱中80°C放置4小时以去除水分。所得膜的凝胶含量如图1c所示。在氯仿中浸泡超过24 […]

第一作者：张舒雯 通讯作者：王刚 通讯单位：四川大学 成果简介 随着液流电池技术的发展，作为液流电池储能先驱的铁铬氧化还原液流电池（简称铁铬液流电池或ICRFB）重新引起了人们的研究关注。尽管它们具有显著的成本优势，但由于离子交叉渗透而导致的容量下降仍然是其商业化的主要障碍。此外，目前关于ICRFB非氟离子交换膜材料的报道较少。为此，四川大学王刚&王瑞林教授团队首次将共价有机骨架磺化席夫碱网络（SSNW）引入磺化聚酰亚胺（SPI）中，制备了一种用于ICRFB的新型SPI/SSNW复合膜。SPI和SSNW中的-SO3H基团与SPI中的氟原子和SSNW的氮原子形成的氢键网络，结合SSNW的尺寸排斥效应，有效地阻碍了Cr3+和Fe3+的交叉渗透，并通过静电势计算结果进行了进一步分析。单电池性能测试表明，组装SPI/SSNW1%膜的ICRFB在80mA cm-2下实现了93.96%的库仑效率和76.40%的能量效率。与Nafion212膜相比，SPI/SSNW-1%膜在50次循环中的容量保持率提高了17.74%。这些结果表明，该新型磺化聚酰亚胺复合膜有望应用于ICRFB。 图1 SPI/SSNW复合膜阻隔铁铬离子交叉渗透示意图 相关研究成果以“A Novel Sulfonated Polyimide Composite Membrane Containing CovalentOrganic Frameworks for Iron−Chromium Redox Flow Battery Application”为题发表在Industrial & Engineering Chemistry Research上。 感谢四川大学王刚博士校稿！ 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 研究背景 铁铬氧化还原液流电池（简称铁铬液流电池或ICRFB）是最早研究的氧化还原液流电池技术之一，与更普遍的全钒液流电池相比具有明显的成本优势。具体而言，铁、铬电解液的成本约为17 kWh-1，而钒电解液的成本达到189 kWh-1。尽管铁铬液流电池有成本优势，但仍存在许多技术挑战和瓶颈亟待解决。 作为氧化还原液流电池的核心部件，质子交换膜将阳极电解液与阴极电解液隔离开来，允许质子通过并形成离子通路。目前，铁铬液流电池隔膜主要为阳离子交换膜，其中Nafion膜的使用最为广泛。Nafion膜的全氟骨架确保了其出色的化学稳定性，而其高浓度的亲水性磺酸基团增强了离子导电性。然而，较高的离子渗透性和成本阻碍了Nafion膜在铁铬液流电池中的商业化应用。 在主流的全钒液流电池中，磺化聚酰亚胺（SPI）膜具有成本低、热稳定性好、易于合成、结构设计灵活、钒离子选择性好、质子传导性高等优点，已成为一种有前景的隔膜材料。但磺化聚酰亚胺膜在铁铬液流电池中的应用尚无先例。在这项工作中，合成的SPI和共价有机骨架磺化席夫碱网络（SSNW）分子形成了一个连续的氢键网络，加上SSNW分子的尺寸排斥效应，共同提升了膜的稳定性、离子选择性和离子传导性。该研究首次将磺化聚酰亚胺膜应用于ICRFB领域，为铁铬液流电池非氟离子交换膜材料提供了一个可行的探索方向。 核心内容 1、COF与膜的制备及其化学结构  图2 （a） SNW和SSNW的XRD图谱；（b） SNW和SSNW的N2吸附–解吸等温线；（c） SSNW和SPI的FT-IR光谱；（d） SSNW和SPI/SSNW-x%（x=1, 2, 5）的FT-IR光谱 席夫碱网络SNW和SSNW的XRD图谱如图2（a）所示，表明它们具有相似的结构。此外，2θ = 22°处的宽衍射峰表明SNW和SSNW是非晶相结构。图2（b）显示了SNW和SSLW的N2吸附–解吸曲线，揭示了IV型吸附等温线的特征。此外，根据实验数据的分析结果，SNW的Brunauer−Emmett−Teller（BET）表面积为566.41 cm2g−1，而SSNW的BET表面积略微下降至520.32 cm2g−1，表明SNW已成功磺化。 SPI和SSNW的红外光谱如图2（c）所示。对于SSNW，3415 cm−1处的峰是由N−H键的伸缩振动产生的，C=N的伸缩振动位于1548 cm−1，分子中叔胺的C−N伸缩振动位于1353

  第一作者：黄泽波博士、刘沂林 通讯作者：谢兴博士、伍建军教授 通讯单位：桂林电子科技大学 成果简介 钒液流电池（VRFB）是实现大规模、长期能量储存的重要技术。在其各个组成部分中，流场结构是影响电池性能的关键因素之一。本研究受到自然界叶脉优秀养分传输过程的启发，提出了一种仿生叶脉的流场设计，并创新性地在主流道中加入了导流块，旨在利用导流效应显著增强电解液的分布均匀性和传质能力。采用仿真与实验结合的方法验证该模型的有效性，并通过长时间充放电循环实验验证了电池的性能。分析结果表明，在相同条件下，本研究的能量效率相比蛇形流场提高了1.983%，比基础设计提高1.11%。该设计机制有效改善了VRFB中活性物质的传输特性，为未来流场结构的设计提供了参考。 相关研究成果以“Design and optimization of a novel flow field structureto improve the comprehensive performance of vanadium redox flow batteries”为题表在“Journal of PowerSources (IF=8.1)” 感谢桂林电子科技大学黄泽波博士校稿！ 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 研究背景 在全球实现“双碳”目标和调整能源结构的努力下，许多国家的可再生能源发电，特别是风能和太阳能的新增装机容量正在快速增长。然而，这些可再生能源的固有随机性和间歇性可能会对电力输出质量产生负面影响。为应对这一挑战，能源储存技术变得至关重要，其中钒液流电池是最成熟的解决方案之一。然而，其也存在一些缺点和挑战，例如不均匀的流动可能导致电解液的局部浓度剧烈变化，流动不稳定性导致局部压力波动和不均匀的电解液分布等，都对电池性能和使用寿命产生负面影响。 为应对这些挑战，许多研究者致力于改善流场性能并尽量减少能量损失。在众多策略中，优化流场设计最为突出，并且效果最为显著。Guo等人开发了一种分叉式交叉流场，成功地将电解液引导到分支通道中，确保了电解液的均匀分布；Hao等人在碳毡电极上优化了流场设计，显著降低了浓度极化，提高了放电容量和功率密度；Pan等人优化了蛇形流场的通道深度梯度，发现25%的梯度可最大化基于泵浦的电压效率；Lu等人引入了一种创新的旋转蛇形流场，在不同的SoC下提供了更高的放电电压，并减少了过电位；Sun等人通过三种不同的仿真方法探讨了下肋液压阻力的调整，以提高分布均匀性；Wei等人开发了一种增强对流的流场结构，以改善水基红氧流电池中的下肋对流；Chai等人采用双螺旋流道设计，评估了不同流动模式对VRFB性能的影响；Gundlapalli等人报告了方向分裂蛇形流场，在与传统设计比较下，能量效率提高了12%，循环效率提高了3%；Yang等人提出了一种新型仿生流场，在较高流速下降低了电压下降，同时保持了高电压效率；Akuzum等人研究了流场深度变化，发现坡道设计使得所需泵浦压力降低了40%。 本研究提出了仿生叶脉流场（LFF），其灵感来源于叶片的脉络结构。该设计通过将一个主流道（类似叶片的中央脉络）置于进出口之间，且在两侧按固定间隔（0.5毫米）延伸出分支流道。紧接着，本文创新性地在主流道中引入了导流块，形成导流结构仿生流场（OLFF），这一设计能够增强电解液中活性物质的传输能力，促进电解液的更均匀分布。本研究通过仿真验证了OLFF的有效性，结果表明其在平均反应物浓度、系统效率和基于输出功率效率等方面均有显著改善。随后，通过实验验证，将OLFF与LFF和SFF进行了比较。尽管由于导流块的引入，内部阻力略有增加，但在相同条件下，OLFF的能量效率比SFF高出1.983%，比LFF高出1.11%。这一有效设计机制不仅增强了VRFB的工程应用潜力，还为大规模能源储存提供了参考价值。    图1. (a) VRFB 单电池结构图，(b) 仿生流场结构示意图，(c) 电化学反应原理图、(d) 电化学反应方程式。 核心内容 【模型验证】 物质传递是自然界中常见的现象，尤其是植物的养分运输方式。如图 2(a)所示，绿色植物能够长期茁壮成长，主要得益于其高效的养分运输网络。在植物中，叶脉一般起着传导和支撑的作用，叶片上呈现出各种规则的叶脉分布。养分从叶片底部进入，流向树干，再通过无数细小的枝条分布到叶片边缘。这一自然现象凸显了枝条在养分运输中的关键作用。因此，这项工作提出了一种创新的仿生叶脉流场，它能显著增强多孔电极内活性物种的传输。此外，如图 2(b) 所示，通过在每个分支入口处引入直径为 0.5 毫米的圆形导流块，该结构得到了改进。这一改进利用了导流效应，迫使电解质流动面积变大，从而促进电解质分布更加均匀。图 2(c) 清楚地显示了输送到分支的活性物质明显增加。    图2.

  第一作者：钟薇、吕莉莉 通讯作者：王宗花 通讯单位：青岛大学 成果简介 全钒液流电池（VRFB）是一种极具吸引力的可再生能源存储与输出技术，而质子交换膜是决定其性能的关键组件。在本研究中，通过在聚偏二氟乙烯–六氟丙烯（PVDF-HFP）聚合物基体中引入磺化纤维素纳米晶SCNC/MXene复合材料，设计并制备了一种新型质子交换膜。该膜表现出低钒离子渗透率（4.92 × 10⁻⁹ cm² min⁻¹）、较高的质子电导率（15.8 mS cm⁻¹）以及优异的离子选择性（3.21 × 10⁶ S min cm⁻³）。SCNC 与 MXene 纳米片的协同作用显著提升了 VRFB 的整体性能，使库仑效率从 97.0% 提高至 98.2%，电压效率从 83.07% 提高至 93.44%，在 40−120 mA cm⁻² 电流密度范围内，能量效率达到 81.6% 至 90.7%，均优于商业 Nafion 212 膜。SCNC/MXene/PVDF-HFP 混合膜在各项电池性能上均表现优异，有望成为 VRFB 质子交换膜的理想候选材料。 感谢青岛大学王宗花教授校稿！ 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 汇聚液流电池科研人员超1500人 长按识别下方二维码，邀请进群 （备注：单位名称姓名电话、进群） 研究背景 VRFB 通过正极储罐中的 V(IV)/V(V) 和负极储罐中的 V(III)/V(II) 之间的氧化还原反应，实现化学能与电能的相互转换。质子交换膜作为关键组件，既需允许质子传输，又需防止电解液交叉污染。VRFB

  第一作者：王权 通讯作者：安全福 通讯单位：北京工业大学 成果简介 在本工作中，北京工业大学安全福教授团队提出了离子共价有机聚合物（iCOP）复合膜来提高铁铬液流电池（ICRFB）的电池效率。通过界面聚合法合成了iCOP，所得复合膜具有优异的物理化学性能。合成的iCOP中的磺酸基团促进了膜的质子传输。全氟PEM和iCOP之间形成的氢键网络进一步促进了膜的质子传输过程。同时，酸性条件下带正电荷的氨基由于Donnan效应抑制了Fe3+和Cr3+的跨膜渗透。其中，iCOP-8膜的质子电导率在80°C时达到215 mS cm-1。此外，iCOP-8在所有膜中对Fe3+（1.44×10-7 cm s-1）和Cr3+（0.47 × 10-7 cm s-1）的渗透速率最低。就ICRFB性能而言，在100 mA cm-2的电流密度下，库仑效率为97.66%，能量效率为87.11%。电池也稳定运行了200多次循环，性能没有明显下降（CE：>97.01%，EE：>86.01%）。 相关成果以“Ionic covalent organic polymer (iCOP) compositemembranes with enhanced efficiency for iron-chromium redox flow battery”为题发表Journal of MembraneScience上。 感谢北京工业大学安全福教授校稿！ 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 汇聚液流电池科研人员超1500人 长按识别下方二维码，邀请进群 （备注：单位名称姓名电话、进群） 研究背景 近年来，在高性能PEMs的开发中，针对新型材料的研究显著增加，研究人员努力提升RFB复合膜性能。例如，引入二维材料，包括金属有机骨架（MOF）、石墨烯、碳纳米管和共价有机骨架（COF），都是提高膜性能的有效方法。其中，UIO-66被接枝到PBI的主链上，能够构建离子传输通道，从而降低了钒的渗透性和面电阻。所制备的膜组装的电池能够稳定循环2000次，该膜在2000次循环后没有明显的结构变化。将胺基化碳纳米管掺入磺化聚醚醚酮（SPEEK）中也能够提高ICRFB性能。与Nafion 212相比，S/MWCNT-NH2-2膜在40-140 mA cm-2的电流密度下表现出更高的CE（96.06%-98.22%）和EE（82.04%-88.09%）。此外，与Nafion 212相比，该膜能够实现较低的容量衰减（每次循环0.52%）和18小时的自放电时间。在上述材料中，COF因其大比表面积、可调结构和优异的化学稳定性而得到研究人员的关注。此外，COF的孔径可以根据具体应用进行调整，从而实现高效的分子筛分和分离。例如，研究人员通过合成具有适当孔径（0.48 nm）的SNW-1，精确筛选VFB中的水合质子和钒离子。在VFB中，相应的膜在40 mA cm–²下的CE为98.7%，电压效率（VE）为94.8%。此外，研究人员制备了一种具有楔形榫状加强结构的连续SCOF/Nafion膜用于VFB，所制备的膜具备较小的孔径（5-10Å），可有效筛分H+/Vn+离子，从而提高电池EE（在100 mA cm-2下为85.5%）和循环性能（>900小时）。最近，基于不可逆强共价键的共价有机聚合物（COP）因其受调节的离子传输通道、优异的化学稳定性和材料灵活性而被应用于RFB中，COP中的有机共价键即使在酸性较高的化学环境中也保持结构完整性。同时，COP中氢键网络也促进了COP膜中的离子电导率。Wang等人通过在COP中引入不可逆强仲胺键。原位聚合制备了亚纳米孔径为4.5-6.4Å的自支撑COP膜，建立了具有连续路径的超微孔通道，用于快速质子传输。通过孔径筛分和Donnan效应的双离子分离机制，组装的VFB在200 mA cm-2下实现了99.0%的CE和83.0%的EE。 在本工作中，北京工业大学安全福教授团队开发了iCOP复合膜来提高ICRFB的电池效率。iCOP粉末是通过1,3,5-三醛基间苯三酚（Tp）和4,4′-二氨基-3,3′-联苯二磺酸（DABDS）通过希夫碱反应合成的。通过X射线衍射（XRD）、比表面积分析仪（BET）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了合成的iCOP粉末的结构。测量了iCOP复合膜的物理化学性质，包括质子传导率、机械强度、吸水率（WU）、溶胀比（SR）、离子交换容量（IEC）和离子渗透性测试，以评估膜性能。然后在将iCOP复合膜组装到ICRFB中，并根据复合膜中iCOP的含量评估电池性能。最后，通过电池自放电测试、容量衰减和稳定性，进一步验证了复合膜的综合性能。 核心内容 1.iCOP粉末的表征

  第一作者：宋芃 通讯作者：安全福 通讯单位：北京工业大学 成果简介 非氟质子交换膜（PEMs）广泛应用于液流电池（RFBs）。然而，聚合物单体的高成本和复杂的合成工艺阻碍了PEMs在RFBs中的广泛应用。在本工作中，北京工业大学安全福教授团队通过直接磺化合成了一系列磺化聚苯并咪唑膜（SNPBI-x），并验证了其在铁铬氧化还原液流电池（ICRFB）中的应用。SNPBI-x膜由刚性聚苯并咪唑和萘环组成，不仅缓解了由磺酸基团引起的机械性能降低问题，并且提升了膜在运行过程中的稳定性。此外，与Nafion 212相比，SNPBI-x膜表现出相对较高的离子交换容量（IEC）、高吸水率和低溶胀度。同时，SNPBI-1.42的渗透性明显较低，96小时后Fe3+的渗透性率为0.762×10-7cm s-1，Cr的渗透率为0.438×10-7cm-s-1。高离子选择性主要是因为咪唑基团质子化引入的Donnan效应，增强了膜的离子选择性。此外，优化的SNPBI-1.42在所有测试的膜中表现出最佳的电池性能，在100mA cm-2下实现了97.55%的库仑效率（CE）、86.88%的能量效率（EE）和89.06%的电压效率（VE）。同时，SNPBI-1.42在ICRFB中保持高于80%的EE超过1600次循环，进一步证实了其在ICRFB的优越化学稳定性。 相关成果以“Simply designed sulfonated polybenzimidazolemembranes for iron-chromium redox flow battery”为题发表在Journal of MembraneScience上。 感谢北京工业大学安全福教授团队校稿！ 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 汇聚液流电池科研人员超1400人 长按识别下方二维码，邀请进群 （备注：单位名称姓名电话、进群） 研究背景 近年来，包括SPEEK、SPBI、SPI和SPSF在内的非氟PEM在RFB中的应用得到了广泛的研究。Wang等人为VRFB制备了磺化聚醚酮和两性聚醚酮（SPEEK/APK）的复合膜，与Nafion 212相比，所制备的PEM表现出优异的结构相容性和较低的钒渗透性。在100 mA cm-2的电流密度下，VRFB的EE为81.3%。Li等人设计了一种含有柔性脂肪族链段的磺化聚酰亚胺（SPI）膜，用于VRFB。该膜具有优异的化学稳定性和优异的电池性能。在100 mA cm-2的电流密度下，用SPI组装的电池显示出比Nafion 212（CE:93.14%；EE:74.13%）更高的CE（96.83%）和EE（79.47%）。作为碳氢质子交换膜的代表，磺化聚苯并咪唑（PBI）膜因其优异的质子传导性、离子选择性、机械性能和成本效益而成为提高RFB性能的研究热点。具体来说，酸性体系RFB中质子化的咪唑基团会排斥电解液中的电活性阳离子，从而防止活性物质的跨膜扩散。例如，Yang等人通过Friedel-Crafts反应合成了一系列无醚聚对三苯基甲基咪唑（PTMIm）膜，在全芳香主链上形成悬垂的咪唑侧基，从而实现了钒离子的静电排斥。与Nafion 115（6.6×103 S min cm-3）相比，所获得的膜具有更高的选择性（8.7×105 S min cm-3），在100 mA cm-2电流密度下的VRFB中，500次循环下的CE可以达到99.5%。除了咪唑侧链外，在PBI骨架上引入磺酸封端的柔性侧链也是提高电池性能的有效方法。He等人将亲水性侧链接枝到PBI上，以形成微相分离结构，从而进一步提高了质子传导率。同时，由于咪唑基团引起的Donnan效应，相应的PEM表现出超低的钒渗透性。该膜在80mA cm-2下实现了89.13%的EE和90.73%的VE。此外，在相同的电流密度下，能够以同样的效率保持200个循环。尽管PBI的化学接枝获得了优异的RFB性能，但引入侧链需要精确控制合成条件，不可避免地增加了膜制备过程的复杂性。为了简化合成过程，Li等人通过一锅法合成磺化单体，设计了一种磺化度可控的磺化PBI膜。合成的膜利用磺酸基团和咪唑基团的静电排斥作用，有效地促进了质子传输，同时防止了氧化还原物质的交叉。该膜在ICRFB中的CE为98.2%，EE为83.17%。然而，磺化度（DS）取决于磺化单体，导致PBI中的磺化位点受到限制。 在本工作中，通过磺化方法设计了一种具有不同DS的磺化聚苯并咪唑聚合物（SNPBI-x）。所获得的膜具有多个磺化位点，增加了离子交换容量（IEC）。同时，在SNPBI-x中引入刚性萘环可以防止高DS引起的机械强度损失。对聚合物进行了傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、1H核磁共振光谱（1H NMR）、IEC和离子渗透性等表征，以表征合成的SNPBI-x。此外，还评估了膜的吸水率（WU）、溶胀度（SR）和机械性能。之后，将膜应用在ICRFB中，对面电阻、自放电性能、电池的CE、EE和VE等关键指标进行了测试，并与Nafion 212进行了比较。此外，在100 mA cm-2下用Nafion 212和SNPBI-x进行了长期稳定性测试。在稳定性测试前后，通过FT-IR和1H NMR对SNPBI-1.42膜进行了比较。 核心内容 1.NPBI和SNPBI-x的化学结构和形貌 如图1a所示，1440

  第一作者：李泽旭 通讯作者：李昊龙 通讯单位：吉林大学 成果简介 Nafion膜是目前全钒液流电池中应用最广泛的质子交换膜。然而，Nafion膜的离子相区和钒离子之间存在显著的尺寸差异，导致了严重的钒离子渗透问题。在本工作中，吉林大学李昊龙教授团队采用超分子复合改性策略，使用聚（2-乙烯基吡啶）（P2VP）修饰Nafion的离子相区，通过P2VP的空间位阻效应和Donnan排斥效应，实现了有效的钒离子阻隔。而且，P2VP和Nafion离子相区之间的良好相容性使Nafion能够保持连续的质子传输通道。与Nafion 212膜（8.1×104 S min cm−3）相比，杂化膜的离子选择性（10.6×104 S min cm−3）提高了30.9%。与Nafion 212膜（96.9%和87.4%）相比，杂化膜显著提高了全钒液流电池性能，在100 mA cm−2下表现出优异的库仑效率（98.1%）和能量效率（88.8%）。此外，经过100次循环后，杂化膜电池的容量保持率（90.8%）比Nafion212膜（67.3%）高1.3倍。 相关成果以“Nafion Hybrid Membranes with Enhanced IonSelectivity via Supramolecular Complexation for Vanadium Redox Flow Batteries”为题发表ACSApplied PolymerMaterials上。 感谢吉林大学李昊龙教授校稿！ 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 汇聚液流电池科研人员超1400人 长按识别下方二维码，邀请进群 （备注：单位名称姓名电话、进群） 研究背景 质子交换膜是全钒液流电池（VRFB）的关键部件，起着传导质子和阻隔钒离子的作用，决定着电池的性能。目前，商业上广泛采用的质子交换膜是以Nafion膜为代表的全氟磺酸膜。然而，Nafion膜中离子相区的尺寸远大于钒离子的尺寸，导致该类膜材料在全钒液流电池的应用中面临严重的钒离子渗透问题，严重影响了电池效率。针对该问题，传统本体改性方法向Nafion膜共混引入纳米填料来阻隔钒离子渗透，但是这些填料通常与Nafion基体的相容性差，会破坏Nafion膜离子相区的连续性，导致质子电导率下降。因此，在不破坏Nafion膜离子相区的连续性且不牺牲质子电导率的前提下，提升膜的阻钒性能具有重要研究意义和实用价值。为此，需要设计与Nafion相容性良好且与Nafion离子相区尺寸匹配的添加剂，能够以分子尺度分散在Nafion离子相区中，并通过空间位阻和Donnan排斥等多重效应来提升Nafion膜的阻钒性能。    方案1 采用超分子复合化策略制备的Nafion/P2VP杂化膜示意图  在本工作中，吉林大学李昊龙教授团队通过超分子复合作用将聚（2-乙烯基吡啶）（P2VP）引入Nafion的离子相区，制备了一种具有高阻钒性和良好质子导电性的Nafion杂化膜。P2VP的吡啶基团和Nafion的磺酸基团之间的静电相互作用使P2VP能够分散在Nafion离子相区。此外，带正电荷的吡啶基团和P2VP链分别提供了Donnan排斥效应和空间位阻效应，增强了Nafion膜阻隔钒离子的能力（方案1）。该改性方法有效地提高了VRFB的库仑效率和能量效率。 核心内容 1.结构表征 不同P2VP含量的杂化膜的照片如图1a所示。即使P2VP的质量分数达到3wt%，所有杂化膜都是透明的，没有宏观相分离。使用扫描电子显微镜进一步研究了这些杂化膜的横截面微观结构（图1b）。RNP-1和RNP-3均展现出光滑且平坦的横截面轮廓，表明P2VP组分与Nafion膜基质具有良好的相容性。使用SAXS研究了杂化膜的微相结构。如图1c所示，RN在q=2.24nm-1处的散射峰对应于Nafion自组装形成的纳米尺寸离子相区之间的平均距离，也称为离聚物峰。在掺入P2VP后，所有杂化膜的离子相区都得以保持。同时，随着P2VP含量的增加，峰值逐渐向低q区移动，是因为P2VP进入离子相区并占据特定体积，导致离子相区尺寸略有增加。相应地，离子相区之间的平均距离变大。根据计算的q值，RN、RNP-1、RNP-2和RNP-3的离子相区间距分别从2.80nm增加到2.87nm、2.91nm和2.92nm。SAXS结果表明，在引入P2VP后，Nafion离子相区的尺寸增加了不到1 nm。结果表明P2VP不以分子线圈的形式存在于Nafion的离子相区中，而是采用延伸链构象，跨越多个离子相区。    图1（a）RN和代表性Nafion杂化膜的照片；（b）RNP-1和RNP-3横截面的SEM图像；（c）RN，RNP-1，RNP-2和RNP-3的小角度X射线散射（SAXS）剖面；（d）RN和代表性的Nafion杂化膜RNP-1的衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱；（e）P2VP和RNP-1的N 1s扫描的X射线光电子能谱（XPS） 进一步研究了Nafion和P2VP在杂化膜内的分子间相互作用。ATR-FTIR结果表明，RN中−SO3−的不对称伸缩振动位于1051 cm−1。当P2VP含量为1 wt%时，特征峰略微蓝移到1052 cm−1，表明Nafion的−SO3H基团与P2VP的吡啶基团之间存在静电相互作用（图1d）。XPS光谱显示，纯P2VP中吡啶氮的N

    第一作者：贺宁 通讯作者：陈仲欣教授，涂文广教授，唐叔贤院士 通讯单位：香港中文大学（深圳） 成果简介 电化学硝酸盐还原（NO3RR）制氨是传统Haber-Bosch 工艺的一种很有前途的替代策略。然而，竞争性的析氢反应（HER）降低了氨的法拉第效率，而析氧反应（OER）增加了能耗。本研究设计了IrCu4 合金纳米颗粒作为双功能催化剂，以实现高效的NO3RR 和 OER，同时抑制不需要的HER。这是通过使用IrCu4 催化剂在正电位下操作 NO3RR 来实现的，这使得NO3RR 的法拉第效率达到 93.6%。当应用于OER 催化时，IrCu4合金也显示出优异的性能，在10 mA cm-2 时具有 260 mV 的相对较低的过电位。在模拟工况条件下，可以在16 cm2 反应面积的流动电解槽中实现 50 小时的稳定氨生产。本研究提供了一种通过双功能催化剂串联优化NO3RR 的新途径。 相关成果以“EfficientNitrate to Ammonia Conversion on Bifunctional IrCu4 Alloy Nanoparticles”为题发表在ACSNano上。 感谢香港中文大学（深圳）陈仲欣教授团队贺宁（第一作者）校稿！ 本文所用 液流反应器（流动电解槽）（LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 汇聚液流电池科研人员超1400人 长按识别下方二维码，邀请进群 （备注：单位名称姓名电话、进群） 研究背景及亮点 随着化石燃料的快速消耗和全球变暖的加剧，迫切需要发展可持续能源.一种可行的方法是用氢基能源载体取代碳基燃料，因为氢具有120 MJ kg-1的高质量能量密度。由可再生能源系统提供动力的电催化分解水是一种高效且可持续的制氢方法，这对于实现氢经济和全球碳中和至关重要。然而，在标准温度和压力下，氢气的体积能量密度低于汽油和甲醇（9.8 kJ L-1 对 31.7 和15.8 MJ L-1）。缺乏具有高质量和体积密度的合适载体，对氢能的大规模应用提出了重大挑战。

第一作者：郑雅婷 通讯作者：曲大为 通讯单位：吉林大学 成果简介 电极是钒氧化还原液流电池（VRFB）中电化学反应发生的主要场所，其特征通常是由碳基材料组成的多孔结构。为了优化多孔电极的性能，必须确保更高的反应位点数量和更大的比表面积，从而最大限度地减少总过电位。本研究，吉林大学曲大为副教授团队采用VRFB的二维模型，系统地研究了各种物性和几何参数的电极对VRFB单电池放电性能的影响，确定了有效降低总过电位的电极物性、几何参数和压缩策略。结果表明，当所制备的石墨毡电极的厚度在1.0至3.0mm之间，孔隙率在70%至85%之间时，VRFB的放电电压显著升高。此外，最佳压缩比可以使VRFB的放电电压最大化，但超过最佳压缩比反而会导致电池放电性能显著下降。此外，随着电极厚度的增加，最佳压缩比的范围逐渐变窄。最后，只有一部分电极被压缩的双层电极（DLE）可以有效地减轻单层压缩电极（SLE）被过度压缩引起的电池性能骤降，使其特别适用于装配较厚电极的VRFB。充放电试验表明与装配SLE的VRFB相比，配备A型DLE的VRFB的能量效率提高了约1.05%，放电容量提高了4.22%。 相关成果以“Study on performance improvement of vanadium redox flow batteries focused on electrode fabrication parameters and compression strategies ”为题发表在Journal of Energy Storage上。 感谢吉林大学曲大为副教授团队郑雅婷（第一作者）校稿！ 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 汇聚液流电池科研人员超1400人 长按识别下方二维码，邀请进群 （备注：单位名称姓名电话、进群） 研究背景 VRFB中压缩电极的主要优点在于其能够提高电极的有效利用率。Banerjee等人在0-67%的压缩比范围内评估了碳毡电极的传质性能（包括扩散系数、渗透率、压降等）。利用X射线计算机断层摄影来捕捉不同压缩比下电极的微观形态，发现电极电阻随着压缩比的增加而线性降低，而泵送压力损失随着电极压缩比的增大而线性增加。因此，存在一个可以最小化能量损失的最佳压缩比。Wang等人通过改变装配力来控制电极的压缩比，通过实验的方法对比电极在不同压缩比下的孔隙率、应力–应变行为、比表面积、水力特性和充放电性能。观察到蛇形通道中电极的压缩程度与肋下的不同，VRFB的充电/放电时间随着压缩比的增加而增加。当压缩比在0.3%至41.8%范围内时，电池的能量效率可以提高19.4%。上述方法是一些更传统的压缩技术，即整个电极被均匀压缩，正极和负极的压缩比相等。然而，由于正极和负极电解液之间的物理和化学差异，研究人员试图通过改进压缩方法来提高VRFB的性能。Lu等人使用三维VRFB模型优化了正极和负极的压缩比，发现VRFB在200mA/cm2的电流密度和80mL/min的流速下放电时，当正极压缩比为0.5，负极压缩比为0.38时，，电池功率损失最小，导致净功率输出增加3.3%-5.4%。 之前研究中的压缩是以电极整体完全压缩的方式进行的，一旦压缩比超过临界值，电池性能就会显著下降。此外，该研究的样本量较小，即电极的厚度和孔隙率的组合相对有限。在本研究中，吉林大学曲大为副教授团队将之前研究的三维多场耦合模型简化为二维模型，以提高研究效率并有效地获得大量模拟结果。然后，模拟了不同电极的VRFB在不同工作条件下放电。首先，利用该模型研究了电极厚度和孔隙率的不同组合对VRFB性能的影响，可以对不同未压缩的原始电极之间的传质和电化学性能进行比较，并确定优化的电极厚度和孔隙率范围，以改进电极制造工艺。其次，研究了不同单层电极在不同压缩比下的传质和电化学性能，从中发现了单层压缩电极的不足。最后，提出了一种具有新压缩方法的双层电极，以解决压缩单层电极的不足，控制电极进行部分压缩以提高VRFB的性能。 核心内容 1.电极参数对VRFB性能的影响 如图1所示，当电极厚度在1.0-3.0mm范围内，孔隙率在70%-85%范围内时，VRFB具有高放电电压，但高放电电压区域随着电流密度的增加而减小。在高压区域之外，如果电极孔隙率超过90%，在小电流密度（<100mA/cm2）放电期间，增加电极厚度不会显著改变VRFB的电压。然而，在较高电流密度下放电时，增加电极厚度会降低VRFB的放电电压。一方面，较厚的电极增加了反应位点，降低了电化学过电位；另一方面，较厚的电极阻碍了电极中电解液的流动，从而影响了传质，增加了浓差过电位。在较低电流密度下放电时，随厚度增加而降低的电化学过电位，与因传质恶化而增加的浓差过电位可以相互抵消，因此VRFB的放电电压不会随着电极厚度而发生显著变化，如图1（a）和（b）所示。然而，随着电流密度的增加，反应对活性物种的需求增加，电极厚度增加引发的传质不足逐渐凸显，导致电极中活性物种的浓度持续降低（如图2所示，当电极孔隙率相同时，电极越厚，VO2+和V2+低浓度区域越大，特别是在出口侧靠近膜的电极区域）。此时，增加的浓差过电位超过了减少的电化学过电位，导致放电电压降低，如图1（c）和（d）所示。 当电极较薄（<3mm）时，对于相同厚度的电极，降低电极的孔隙率有利于提升VRFB的放电电压。然而，对于较厚的石墨毡电极（>3mm），孔隙率的进一步降低会降低高电流密度下的传质。虽然降低孔隙率可以增加比表面积和降低电化学过电位，但也会降低渗透率，不利于对流传质，导致活性物质浓度降低（如图2所示，相同厚度时，孔隙率越高，VO₂+和V2+的浓度越高，分布越均匀），从而提高了浓差过电位。VRFB放电电压受这两个因素的影响，随着电流密度的增加，电化学过电位在高孔隙率下占主导地位，而浓差过电位在低孔隙率下占主导地位。 电极的厚度和孔隙率共同影响电化学过电位和浓差过电位。只有当两个过电位之和较低时，VRFB才能实现更高的放电电压。应用于VRFB的石墨毡电极需要根据使用工况（电流密度），将电极的孔隙率与厚度控制在高放电电压区域，要防止使用厚度高且孔隙率低的电极。  图1具有不同厚度和孔隙度组合的电极的VRFB放电电压  图2不同电极下活性物种（VO2+和V2+）的分布  2.石墨毡电极压缩比对VRFB性能的影响 如图1所示，在石墨毡电极的生产过程中减少厚度和孔隙率可以提高VRFB的充放电性能（放电电压）。然而，目前的电极生产通常遵循标准化的工艺，因此改变它们以适应非常规参数可能会增加生产成本。此外，由于已经使用原始工艺生产了大量电极，直接摒弃这些电极会导致资源浪费。鉴于石墨毡的多孔和疏松结构，可以通过压缩电极来降低厚度和孔隙率，从而在不进行大量工艺更改的情况下提高性能。使用具有不同压缩比电极的VRFB放电行为可以通过2D模型进行模拟。未压缩的电极厚度范围为2mm至4mm，原始孔隙率在80%至95%之间，压缩比为0%至50%（以避免过度压缩造成的机械损伤）。同时，电解液的进口充电状态（SOC）设置为0.5，而放电电流密度分别为50mA/cm2、100mA/cm2、150mA/cm2和200mA/cm2。 在图3中，对于具有高初始孔隙率（≥85%）的电极，放电电压随着压缩比的增加而增加。此外，在较高的电流密度下，放电电压的增强更为明显，特别是对于具有高孔隙率的电极。较薄的电极在相同的压缩比下实现了更高的放电电压，也就是说，较厚的电极必须被压缩更多才能达到类似的电压水平。然而，对于初始孔隙率低（<80%）的电极，放电电压最初会随着压缩而增加，直到压缩比超过某个阈值（约40%），之后进一步压缩电极会降低放电电压。对于低孔隙率电极，存在一个最佳压缩范围可以最大限度地提高放电电压，该范围随着电极厚度的增加而变窄。此外，随着电流密度的增加，最佳压缩范围减小，从而缩小了高放电电压区域。因此，对于高电流密度下运行的VRFB，防止石墨毡电极过度压缩至关重要。  图3使用不同压缩比电极的VRFB的放电电压 如图4（a3）–（c3）所示，对于初始孔隙率较高的石墨毡电极，尽管受到较高程度的压缩，电极内活性物质依然能够保证较高的浓度，且分布均匀，如图4(a3)-c(3)，浓差过电位受影响较小，压缩电极更多地起到了增加比表面积的作用，从而降低了电化学过电位（根据Butler–Volmer方程），因此，放电电压持续增加（如图3(d1)-(d4)）。但是对于初始孔隙率较低的电极，当初始厚度相同时，渗透率随着压缩比的增加而降低，导致电极内低VO₂+浓度区域更大（图4（b1）和（c1）），从而提高了浓差过电位。此外，在相同的压缩率下，与较薄的电极相比，较厚电极内的VO₂+浓度较低（图4（a1）和4（b1））。压缩所造成浓差过电位的增加超过了电化学过电位的降低，因此VRFB的放电电压降低（图3（a1）–（a2））。  图4 具有不同初始孔隙率、厚度和压缩比组合的电极中活性物质的分布  3.压缩比对配备双层电极的VRFB性能的影响 基于上述，对单层石墨毡电极的适当压缩可以提高VRFB的放电电压。然而，在高电流密度下，VRFB单电池电极的不当组装可能会导致过度压缩，恶化电极内的传质，从而增加浓差过电位并降低放电电压。图2和图4显示电极内传质受阻区域大部分集中在膜附近。此外，压缩单层电极会降低整个电极的电解液渗透性，进一步恶化膜附近的传质，导致活性物种的浓度和均匀性进一步降低，最终降低VRFB放电电压。为了减轻与压缩单层电极相关的不利影响，提出了一种新颖且简化的压缩方法，通过利用由未压缩电极和压缩电极组成的双层电极来提高电极性能，而不是创建梯度孔隙率电极。由于电极内受阻区域靠近膜附近，因此未压缩的电极与膜紧贴进行放置，而可压缩的电极放置于靠近流道的一侧。具有双层电极的VRFB如图5所示。  图5 双层电极结构示意图 双层电极的初始总厚度（He_0）范围为2