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  高分子材料作為現(xiàn)代生產(chǎn)生活的關鍵基礎，其衍生的各類膜材料已廣泛應用于氣體分離、海水淡化等領域。其中，離子交換膜在水系液流電池中扮演著核心角色，它通過選擇性傳導離子并阻隔活性物質(zhì)交叉滲透，直接決定了電池的循環(huán)穩(wěn)定性、能量效率和輸出功率。然而，傳統(tǒng)離子交換膜（如商業(yè)化Nafion®膜及廣泛研究的自具微孔離子交換膜）普遍面臨離子電導率與選擇性難以兼顧的技術瓶頸。因此，開發(fā)兼具高離子電導率與高選擇性的新一代離子交換膜，是突破水系液流電池性能瓶頸、提升其運行效率的關鍵所在。

  為解決上述問題，西湖大學王盼課題組設計了一種具有雙重離子通道的支化型聚合物膜b-TB。b-TB膜兼具微相分離及自具微孔型離子通道，離子電導率優(yōu)良；其雙離子通道尺寸均低于目前報道的其他聚合物膜材料，對不同結構的有機活性分子展現(xiàn)出優(yōu)良的抗?jié)B透能力，并在水系有機液流電池體系（AORFB）中表現(xiàn)優(yōu)異。

  2025年6月11日，該工作以“A Polymer Membrane with Integrated Microphase Separation and Intrinsic Microporosity for Aqueous Organic Redox Flow Batteries”為題發(fā)表在能源類頂級期刊Joule上。西湖大學王盼研究員為論文的通訊作者，博士后何光輝為第一作者。

圖1. b-TB膜的設計思路與制備方法

  作者采用后支化合成策略，實現(xiàn)膜在高離子化程度下具備優(yōu)良的機型性能，并在極性溶劑中表現(xiàn)出良好的溶解性，可采用溶液澆筑法成膜。通過調(diào)控支化連接單元的結構、比例和骨架結構的剛性，實現(xiàn)了膜的形態(tài)學和微孔結構調(diào)控，制備出兼具微孔型和相分型離子通道的b-TB膜（圖1）。

圖2. b-TB膜的離子通道表征

  作者對膜的離子通道結構進行了詳細的表征（圖2）。通過二氧化碳吸附、原子力顯微鏡測試、正電子湮沒和小角X射線散射技術，作者分別對膜的微孔及親水域尺寸進行了表征，發(fā)現(xiàn)在相同的技術手段下，b-TB膜的平均微孔半徑（< 2.3 ?）和親水域d值（2.0-2.1 nm）在目前已報道的所有膜中均處于最低的水平。表明b-TB膜具有豐富且狹窄的離子通道結構。

圖3. b-TB膜的物理-電化學性能

  b-TB膜兼具優(yōu)良的離子電導率和選擇性（圖3）。在2 M氯化鉀介質(zhì)中，b-TB的膜面電阻僅為0.42 Ω?cm²，遠低于商業(yè)化的DSV膜。同時b-TB膜展現(xiàn)出優(yōu)異的離子選擇性，對不同結構的有機活性分子表現(xiàn)出良好的抗?jié)B透性，滲透系數(shù)低至10^-12 cm²/s數(shù)量級。b-TB膜打破了傳統(tǒng)聚合物膜在電導率和滲透率之間的相互制衡。

圖4. b-TB膜在中性AORFB中的電池性能

  作者成功將b-TB膜應用到中性體系的AORFB中（圖4）。在0.5 M活性物質(zhì)濃度下，b-TB膜展現(xiàn)出優(yōu)異的電阻與功率表現(xiàn)。在不同電流密度下的能量效率也顯著優(yōu)于相同電池體系下的其他膜材料。b-TB膜的長循環(huán)性能也十分優(yōu)異，在0.1 M電解質(zhì)濃度下，電池穩(wěn)定運行超過230小時，且無明顯的能量效率和容量衰減。和0.5 M 電解質(zhì)濃度下，電池可在高達300 mA/cm²的電流密度下高效、穩(wěn)定運行。b-TB膜在AORFB中的表現(xiàn)進一步證明其優(yōu)異的電導率和選擇性。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101976

課題組簡介

  王盼博士，2015年獲中國科學院上海有機化學研究所博士學位，2016年至2019年在麻省理工學院MIT從事博士后研究。2019年11月加入西湖大學，任理學院特聘研究員、博導。王盼實驗室聚焦于有機合成化學、能源化學和材料化學交叉領域，致力于設計和發(fā)展新材料并探索其功能性應用。團隊在水系有機液流電池關鍵材料、電化學儲能等領域取得重要研究進展。加入西湖大學以來，以通訊作者身份在Nat. Energy，Joule，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊發(fā)表多篇學術論文。

  課題組有多個博士后位置和博士招生名額，歡迎具有有機合成背景、光電器件及能源材料背景的小伙伴們加入！