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美國可再生能源實驗室Saheed Bukola課題組--具有優(yōu)異質(zhì)子選擇性的膜誘導(dǎo)釩交叉阻斷聚苯并咪唑共聚物

氧化還原液流電池的廣泛部署受到阻礙，部分原因是缺乏具有高質(zhì)子傳導(dǎo)性的高選擇性離子交換膜。我們報告了一種聚苯并咪唑共聚物 (PBI-co) 膜的后功能化策略，該策略通過濃硫酸和磷酸的反應(yīng)混合物來提高膜選擇性，同時保持高質(zhì)子電導(dǎo)率。傅立葉變換紅外光譜證實苯并咪唑官能團(tuán)成功磺化和質(zhì)子化。PBI-co表現(xiàn)出非常高的室溫質(zhì)子電導(dǎo)率，為0.138 S cm^-1，通過電化學(xué)阻抗譜測量。PBI-co還展示了在高達(dá) 500 mA cm^-2的外加電流密度和高達(dá)1.4 V的電壓脈沖下的電遷移交叉緩解，同時還能抑制擴(kuò)散驅(qū)動的釩交叉超過20天。在后功能化 PBI-co上進(jìn)行的單節(jié)釩液流電池測試進(jìn)一步證實了最先進(jìn)的電池性能，在100 mA cm⁻²時庫侖效率約為99.5%，面積電阻率低于Nafion-212膜約20 mΩ cm²。

圖 1.釩液流電池系統(tǒng)的基本原理。

圖 2.(a)未官能化的PBI-co，(b)濃縮的H3PO4官能化的PBI-co，(c)濃縮的H₂SO₄官能化的PBI-co，以及(d)濃縮的H₃PO₄和H₂SO₄官能化的PBI-co的混合物的FTIR光譜。面板(a)和(d)中的插圖分別是PBI-co官能化前后的照片。

圖 3.顯示釩離子擴(kuò)散通過(a) Nafion：0 小時，(b) Nafion：20天后，(c)功能化 PBI-co：0小時，(d)功能化PBI-co：后的擴(kuò)散池照片 20 天，以及(f)作為時間函數(shù)的釩濃度的 UV-vis 分析。下標(biāo)a和b分別代表富釩半電池和空白半電池中的釩離子濃度。

圖4.用于質(zhì)子和氧釩離子通過 Nafion和功能化PBI-co膜的電驅(qū)動四點(diǎn)探針電池中的電流-電位 (I-V)曲線（a）1 M H₂SO₄，（b）1 M VOSO₄,(c)對四種類似制備的功能化PBI-co膜的再現(xiàn)性研究，以及(d)作為RH函數(shù)的功能化PBI-co膜的面內(nèi)交流阻抗電導(dǎo)率測量。

圖 5. 圖 4. Nafion 和功能化 PBI-co 膜的空白半電池中釩離子濃度的紫外-可見分光光度分析：(a) 釩離子濃度與外加電位圖和 (b) 釩離子濃度與外加電流圖 .圖 (a)中的插圖是施加 1.4 V 電壓 1 小時后電池的照片，顯示在Nafion中交叉，但在功能化 PBI-co 膜中顯示零交叉；圖 (b)中的插圖是施加 500 mA 電流1小時后電池的照片，顯示Nafion 膜中的交叉，但功能化 PBI-co 中的交叉為零。

圖 6.空白半電池中作為時間函數(shù)測量的釩離子濃度分析顯示(a)離子遷移前的第一個24 小時釩離子擴(kuò)散期和離子遷移后的第二個24小時擴(kuò)散期和48小時擴(kuò)散期對于功能化的 PBI-co 和 Nafion 膜，遷移和（b）在施加300 mA電流1小時期間經(jīng)受離子遷移的釩離子交叉。

圖 7. (a)單電池釩-RFB 中功能化PBI-co和Nafion膜的放電極化曲線和相關(guān)功率密度曲線。極化曲線是使用電池的HFR進(jìn)行iR校正的。電解質(zhì)是4.0 M H₂SO₄中的 1.0 M VOSO₄，流速為 16 mL min^-1 和溫度。(b) 釩-RFB在100 mA cm^-2下的充放電循環(huán)。

相關(guān)科研成果由美國可再生能源實驗室Saheed Bukola等人于2021年發(fā)表在ACS Applied Polymer Materials（https://doi.org/10.1021/acsapm.1c01318）上。原文：Membrane-Induced Vanadium Crossover-Blocking Polybenzimidazole Copolymer with Exceptional Proton Selectivity。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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