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  近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員、張華民研究員團(tuán)隊(duì)研制出高選擇透過(guò)性超薄分離層復(fù)合離子傳導(dǎo)膜，該膜兼具高離子傳導(dǎo)率與高離子選擇性，可大幅提升液流電池性能。

  離子傳導(dǎo)膜材料是液流電池的關(guān)鍵材料，其作用是阻隔兩端活性物質(zhì)，同時(shí)傳遞載流子形成電池回路。該團(tuán)隊(duì)前期突破了傳統(tǒng)的“離子交換傳遞”機(jī)理束縛，原創(chuàng)性地提出不含離子交換基團(tuán)的“離子篩分傳導(dǎo)”概念（Energy. Environ. Sci.，2011，4，1676），將多孔離子傳導(dǎo)隔膜引入液流電池。并在此基礎(chǔ)上圍繞高性能多孔離子傳導(dǎo)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展了大量研究工作，取得了系列進(jìn)展。

  如何打破膜的離子選擇性與離子傳導(dǎo)性Trade-Off效應(yīng)，開發(fā)出兼具高選擇性與高傳導(dǎo)性的離子傳導(dǎo)膜材料，是液流電池用多孔離子傳導(dǎo)膜領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。傳統(tǒng)相轉(zhuǎn)化所制備的多孔離子傳導(dǎo)膜材料一般為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，孔曲度高、貫通性較差，離子傳導(dǎo)率較低。相比之下，復(fù)合膜具有能夠單獨(dú)調(diào)控的選擇性分離層和支撐層結(jié)構(gòu)，有望突破膜選擇性與傳導(dǎo)率之間的Trade-Off效應(yīng)，進(jìn)一步提升液流電池性能。

界面聚合原理和離子篩分傳遞機(jī)理

  該工作利用界面聚合技術(shù)制備了具有超薄分離層的分離膜。該分離膜由聚酰胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，厚度僅為180 nm。該厚度大幅度降低了離子傳遞路徑，提高了膜選擇性。同時(shí)，聚酰胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的自由體積介于水合質(zhì)子與水合釩離子之間，能夠高效地阻擋釩離子，同時(shí)傳遞質(zhì)子，使膜具有高離子選擇性。利用該膜材料組裝的單電池在260 mA/cm²的電流密度下，能量效率超過(guò)80%。此外，該團(tuán)隊(duì)與中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所鄭安民研究員合作，通過(guò)理論計(jì)算深入研究了聚酰胺分離層中質(zhì)子傳遞方式，結(jié)果顯示，質(zhì)子可以通過(guò)聚酰胺網(wǎng)絡(luò)中的水分子鏈和聚酰胺骨架上的羧基以Grotthuss機(jī)理跳躍傳遞。這一研究結(jié)果為設(shè)計(jì)高性能離子傳導(dǎo)膜提供了新的思路。

  相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。本項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院中國(guó)科學(xué)院潔凈能源先導(dǎo)科技專項(xiàng)和中科院交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目支持。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13704-2