赵天寿院士团队JMCA：用于水系液流电池的具有连续质子传导通道的Nafion/聚苯并咪唑复合膜

用于水系液流电池的具有连续质子传导通道的Nafion/聚苯并咪唑复合膜

第一作者：万昱含

通讯作者：范新庄*，赵天寿*

单位：香港科技大学，南方科技大学

Nafion基质子交换膜具有良好的电导率和优异的稳定性，已广泛应用于水系液流电池。但Nafion膜较低的离子选择性及其高昂的价格限制了液流电池的商业化发展，因此开发高效且成本低廉的离子交换膜已成为液流电池发展的关键挑战。采用具有高离子选择性的聚合物与Nafion形成共混膜已被证实能综合提高隔膜的性能，同时也可减少Nafion的用量，但该方法会在一定程度上牺牲隔膜的质子电导率。

针对这一问题，本文对Nafion共混膜的组分和结构进行了精心设计，通过纳米纤维网络将传统共混膜中离散的Nafion连接成一体，形成了连续的质子传导通道，实现了高效的质子传输。该复合膜在保留了传统共混膜优点的基础上，大幅提高了离子膜的质子电导率，为水系液流电池用高效离子膜的开发提供了新思路，有助于推动液流电池的商业化发展。

基于此，香港科技大学赵天寿院士团队在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“A Nafion/ polybenzimidazole composite membrane with consecutive proton-conducting pathways for aqueous redox flow batteries”的文章。该文章针对传统Nafion共混膜低质子电导率的问题，通过精心设计膜的组分和结构，开发出具有优异性能的高效低成本复合膜。

要点一：复合膜的设计策略

据报道，将Nafion树脂纳米纤维化可极大提高Nafion的质子电导率。本文基于具有高离子选择性的聚苯并咪唑（PBI）基体，在其中构建Nafion纳米纤维网络，形成了具有优异电池性能的Nafion/PBI复合膜。该复合膜通过纳米纤维网络将传统共混膜中离散的Nafion连接成一体，形成了连续的质子传导通道，实现了高效的质子传输。同时，PBI作为复合膜的聚合物基体，可显著提高膜的离子选择性、机械强度及尺寸稳定性。

另外， Nafion纤维的负电基团与PBI基体的正电基团间的酸碱相互作用也会进一步增强复合膜的机械强度及尺寸稳定性。结果表明，该复合膜的质子电导率几乎为同样组分的传统共混膜的2倍。相比于商业Nafion 212膜，仅含40%Nafion的复合膜展现出58倍高的离子选择性以及60%的质子电导保留率。

研究发现，尽管Nafion/PBI复合膜的质子电导率相对传统共混膜已得到大幅提高，但仍低于商业Nafion膜，所以其在大电流密度下的电池性能依然略逊于Nafion 212膜。为了进一步提高复合膜的电池性能，本文设计了三种优化策略，依次为减小Nafion纤维的直径，降低PBI的载量，以及减薄复合膜的厚度。

结果表明，三种策略均在一定程度上提高了复合膜的电池性能，其中，对膜进行减薄是最为有效的优化方式。优化后的复合膜在210 mA cm^-2的电流密度下，可使全钒液流电池的库伦效率高达99.8%，能量效率也提高到80.0%，优于同样工况下商业Nafion 212膜的电池性能。

另外，使用该Nafion/PBI复合膜的全钒液流电池可在此电流密度下稳定循环超过600圈，展现了优异的长循环稳定性。

范新庄博士简介：2006年本科毕业于西安电子科技大学，2011年博士毕业于中国海洋大学；随后在中科院金属研究所从事钒电池及其工程化研究，2018年加入香港科技大学赵天寿院士团队开展博士后研究。截止到目前，申请人主持或参与973、Theme、ITF与国青等课题20余项，发表学术论文50余篇，累计引用989次，H因子为18；撰写外文专著1章，申请专利30项。

赵院士长期致力热质传递理论和电池储能技术的研究。针对国家对可再生能源利用的重大需求，围绕燃料电池、液流电池、金属空气等流体电池储能装置中能量传递与转换关键科学问题，建立了电池储能系统中热质传递和电化学能量转换的耦合理论，提出了热、质、电子及离子协同传输方法，突破了高功率流体电池设计的关键技术。提出了以可充放电的液态能量载体储电的新方法，发明了充、放电装置彼此独立的新型储能系统，取得了系统效率与输出功率的同时跃升，将在解决风光电并网难题、实现可再生能源规模利用、解决空气污染与气候变化问题等方面将发挥重要作用。

万昱含，2018年本科毕业于华中科技大学，现为香港科技大学机械与航空航天工程系博士生。

赵天寿，中国科学院院士，香港科技大学机械及航空航天工程系讲座教授，美国机械工程师学会(ASME)会士，英国皇家化学学会(RSC)会士。曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、国家自然科学二等奖、香港科大工程学杰出研究成就奖，入选Clarivate/Thomson Reuters全球高被引科学家和最有影响力科学思想名录。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy& Environmental Science顾问编委，已在Energy& Environmental Science、Advanced Energy Materials、Nature Communications、Energy Storage Materials、Nano Energy等期刊发表SCI论文400余篇。

个人主页：https://zhaogroup.ust.hk/#/

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香港科技大学机械及航空航天工程系赵天寿课题组招聘博士后

A Nafion/ polybenzimidazole composite membrane with consecutive proton-conducting pathways for aqueous redox flow batteries

https://doi.org/10.1039/D2TA01746F