大化所成功制备超薄聚合物膜材料

　　中化新网讯 近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员李先锋、项目研究员鲁文静等与中国科学技术大学研究员张宏俊合作，在液流电池用离子选择性膜研究中取得新进展，提出一种新型的界面交联策略，制备出了厚度仅为3微米的高稳定性超薄聚合物膜材料，将全钒液流电池的工作电流密度提升至300毫安/平方厘米。相关成果发表在《自然-化学工程》。

　　聚合物离子选择性膜因其成本低、易于规模化制备等优势，是目前市场上主流的液流电池膜材料。然而，与具有周期性和规整有序孔结构的无机纳米多孔材料不同，传统方法制备的聚合物膜通常具有不规则无序孔结构，难以实现液流电池活性物质和载流子的精确筛分，存在选择性和渗透性相互制约的Trade-off效应。

　　为解决上述问题，李先锋团队提出了一种界面交联新策略，通过将聚合物交联反应限制在有限的界面空间内，制备出由纳米级分离层和支撑层组成的超薄聚合物膜。测试结果表明，分离层中稳健的共价交联网络结构提高了膜的机械稳定性，即便是在膜厚度降低至3微米条件下，均展现出良好的机械强度，其横向拉伸强度和纵向硬度均优于商业化的Nafion 212膜。

　　研究还发现，该膜材料分离层的孔径分布在1.8至5.4埃之间，与具有规整孔道结构的无机纳米多孔材料相似。这种孔径分布恰好位于液流电池活性物质和载流子的尺寸之间，实现了对活性物质的精确筛分和对载流子的快速传导。同时，纳米级分离层及膜整体厚度的降低进一步减少了离子传输阻力，使得超薄膜在宽pH范围内均表现出超低的面电阻和活性物质渗透系数。

　　为了验证其应用的可行性，团队将该膜材料应用于全钒液流单电池，在300毫安/平方厘米的高电流密度下，电池的能量效率超过80%。此外，该超薄膜还可以应用于碱性锌铁液流电池和水系有机液流电池，在高电流密度下均展现出优异的性能。通过改变交联剂的类型，团队进一步验证了界面交联策略的普适性。

　　该研究为设计具有高机械稳定性、超低面电阻和渗透系数的超薄膜提供了新思路，有利于提升多种水系液流电池的工作电流密度和功率密度。