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贺高红教授课题组在液流电池离子交换膜领域取得新进展
2018-03-03 13:43 焉晓明    (点击:)

离子交换膜是全钒液流电池(VFB)的核心部件之一。商业化的全氟磺酸膜成本高、钒离子交叉污染严重,成为VFB大规模商业化的关键制约因素。而作为替代物的非氟离子交换膜,离子交换基团的引入加速了其在VFB中的化学降解。因此,为VFB制备出同时具有高离子选择性和高化学稳定性的非氟离子交换膜仍然是一个挑战。贺高红教授团队长期从事离子交换膜研究(J. Membrane Sci., 2018, 552, 286; J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 15038; J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16948)。近期课题组彭桑珊博士生通过将非离子型亲水侧链接枝到聚苯并咪唑(PBI)上,诱导膜中形成微观相分离结构和亲水纳米通道,获得了同时具有超高离子传导率和高化学稳定性的离子交换膜。

所设计的膜(GPBI)通过N-取代反应在PBI上接枝非离子型亲水侧链来制备。该分子修饰诱导了膜中微观相分离结构和亲水团簇的形成,其作为有效的质子传递通道,显着提高了PBI膜的质子传导率。同时,该设计未引入离子交换基团,使GPBI膜保持了原始PBI膜在VFB中优异的化学稳定性。由于亲水团簇尺寸适当,再加上质子化后GPBI膜的Donnan排斥效应,该膜几乎无钒离子渗透。因此,该论文设计的GPBI膜表现出优异的综合性能:同时具有超高的质子传导率、离子选择性和化学稳定性。基于GPBI膜的VFB在高电流密度120 mA/cm2下库仑效率超过99%,能量效率达到84%,是目前PBI致密膜应用于VFB中报道的最高值。这项工作为高性能PBI膜的设计提供了新思路。研究成果以“Polybenzimidazole membranes with nanophase-separated structure induced by non-ionic hydrophilic side chains for vanadium flow batteries”为题发表在J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 3895IF8.867),并被该刊选为内封底论文。

贺高红教授和焉晓明副教授为该论文共同通讯作者,该项研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研究发展计划和长江学者计划等项目的资助。



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