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美國可再生能源實驗室Saheed Bukola課題組--具有優異質子選擇性的膜誘導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子傳導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混合物來提高膜選擇性,同時保持高質子電導率。傅立葉變換紅外光譜證實苯并咪唑官能團成功磺化和質子化。PBI-co表現出非常高的室溫質子電導率,為0.138 S cm-1,通過電化學阻抗譜測量。PBI-co還展示了在高達 500 mA cm-2的外加電流密度和高達1.4 V的電壓脈沖下的電遷移交叉緩解,同時還能抑制擴散驅動的釩交叉超過20天。在后功能化 PBI-co上進行的單節釩液流電池測試進一步證實了最先進的電池性能,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:后的擴散池照片 20 天,以及(f)作為時間函數的釩濃度的 UV-vis 分析。下標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.用于質子和氧釩離子通過 Nafion和功能化PBI-co膜的電驅動四點探針電池中的電流-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膜的再現性研究,以及(d)作為RH函數的功能化PBI-co膜的面內交流阻抗電導率測量。
 
  
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 小時釩離子擴散期和離子遷移后的第二個24小時擴散期和48小時擴散期 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功率密度曲線。 極化曲線是使用電池的HFR進行iR校正的。電解質是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。
  
       相關科研成果由美國可再生能源實驗室Saheed Bukola等人于2021年發表在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。

轉自《石墨烯研究》公眾號

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