基于同源链结构协同增强SPEEK纳米复合膜的导电性与稳定性及其在钒液流电池中的应用

本文聚焦于钒液流电池（VFB）用质子交换膜（PEM）的关键材料开发，通过构建双磺酸化氧化石墨烯纳米杂化材料（SPSG）并引入同源链结构的SPEEK基质，显著提升了膜的质子传导率（30.4 mS cm-1）、离子选择性（26.2 × 103 S min cm-3）及结构稳定性。该研究为高性能、长寿命VFB系统提供了一种具有优异导电-阻钒平衡特性的新型纳米复合膜材料。

　　

Highlight

Materials

磺化聚醚醚酮（SPEEK，磺化度64%）、羟基化SPEEK（SPOH）以及磺化MPTMS功能化氧化石墨烯（GOS）均参照先前研究在本实验室制备。N,N-二环己基碳二亚胺（DCC）、二甲氨基吡啶（DMAP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、硼氢化钠（NaBH₄）及异丙醇由天津永大化学试剂有限公司提供。

Preparation of SPSG Nanohybrids

在50°C条件下，将500毫克GOS与5.5克SPOH分散于300毫升DMF中，持续搅拌……

Structure Analysis of SPSG Nanohybrids

通过XPS和FTIR技术对经3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）和SPOH修饰的SPSG纳米杂化材料进行了结构分析。如图1a所示，SPSG在1112/1630/1040 cm^-1处出现特征峰，分别对应-Si-O-C-基团（源自GOS表面的MPTMS）、-C=O基团（源自SPOH与GOS的酯化反应）以及-SO₃H基团中的-S=O振动。此外，SPSG纳米杂化材料中-OH基团的吸收峰强度也明显增强……

Conclusion

本研究成功制备了一系列含有不同含量（0.25–1 wt%）双磺酸化SPSG纳米杂化材料的SPEEK纳米复合膜（S/SPSG）。这些纳米杂化材料通过GOS与SPOH之间的化学功能化反应构建而成。引入SPSG显著提高了S/SPSG纳米复合膜的质子传导性、离子选择性和阻钒性能。其中，S/SPSG-0.75膜表现出最优异的质子传导率（30.4 mS cm^-1）、钒离子阻隔能力和超高的电池效率（电压效率89.1–76.5%，能量效率82.4–73.5%）。此外，该膜还具备长达78.9小时的自放电时间、18.2%的容量保持率以及150 mA cm^-2下600次的循环稳定性，充分体现了其卓越的结构耐久性。这些性能的提升归因于同源分子链缠结所带来的协同效应，以及带电SPSG纳米片所构建的有效层间阻隔结构。本研究为开发适用于长时运行VFB系统的高性能、低成本烃类质子交换膜提供了一种简便有效的策略。