耦合传输与电化学特性协同优化：提升液流电池性能的关键路径

为解决液流电池(RFB)商业化进程中因高成本导致的性能瓶颈问题，Jiang Haoran团队开展了耦合质量传输与电化学特性的协同优化研究。通过构建垂直排列的铋纳米片(Bi-nanosheet)电极结构，实现了反应物跨尺度传输通道与催化活性位点的整合，使全钒液流电池(VRFB)功率密度提升40%。该研究为突破传统电极设计中传质-反应失配难题提供了新思路，发表于《The Innovation》期刊。

　　

在全球能源转型背景下，可再生能源的间歇性问题催生了对大规模长时储能技术的迫切需求。液流电池(RFB)因其本征安全性和功率-容量解耦特性被视为理想解决方案，但高昂的制造成本阻碍了其商业化进程。问题的核心在于电池功率单元存在"传输-反应"失配矛盾——传统电极改性往往片面提升电化学活性，却忽视了宏观流场与微观传质的协同优化，导致高电流密度运行时反应物分布不均、浓差极化加剧。

天津大学能源与动力工程系Jiang Haoran团队在《The Innovation》发表的研究中，创新性地提出"传输-电化学耦合增强"策略。通过构建垂直排列的铋纳米片(Bi-nanosheet)修饰电极，同时解决了反应物跨尺度传输与界面催化动力学两大难题。该结构既提供了定向扩散通道缩短传质路径，又暴露出富含不饱和铋原子(Bi-unsaturated sites)的活性晶面，使全钒液流电池(VRFB)在2.4 A cm^-2高电流密度下仍保持82%的能量效率。

研究团队采用多尺度实验与表征技术：通过印刷电路板(PCB)分段法测量电极平面电流密度分布；利用荧光显微技术观测单流道内反应物输运；开发反射吸收成像法实时可视化电极表面浓度场。关键发现包括：(1)传统无序电极中反应物需经历曲折扩散路径，而垂直纳米片结构形成"扩散高速公路"，传质系数提升3.6倍；(2)铋的(001)晶面暴露出高密度活性位点，使VO²⁺/VO₂⁺氧化还原反应活化能降低34%；(3)流场-电极协同设计使反应物分布均匀性指数从0.62提升至0.89。

研究结论表明，这种"传输-催化"双功能电极设计打破了传统电极的性能上限：在200 mA cm^-2工作电流下，电池功率密度达到1.2 W cm^-2，较传统电极提升40%。更重要的是，该策略为液流电池关键部件设计提供了普适性思路——通过调控材料微纳结构实现跨尺度传质优化，而非单纯增加催化剂负载量。这项工作不仅推动了液流电池高性能化进程，其揭示的"传输-反应"耦合机制对燃料电池、电解水等涉及多相反应的能源器件同样具有启示意义。