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氧化还原液流电池的广泛部署受到阻碍，部分原因是缺乏具有高质子传导性的高选择性离子交换膜。 我们报告了一种聚苯并咪唑共聚物 (PBI-co) 膜的后功能化策略，该策略通过浓硫酸和磷酸的反应混合物来提高膜选择性，同时保持高质子电导率。傅立叶变换红外光谱证实苯并咪唑官能团成功磺化和质子化。PBI-co表现出非常高的室温质子电导率，为0.138 S cm-1，通过电化学阻抗谱测量。PBI-co还展示了在高达 500 mA cm-2的外加电流密度和高达1.4 V的电压脉冲下的电迁移交叉缓解，同时还能抑制扩散驱动的钒交叉超过20天。在后功能化 PBI-co上进行的单节钒液流电池测试进一步证实了最先进的电池性能，在100 mA cm−2时库仑效率约为99.5%，面积电阻率低于Nafion-212膜 约20 mΩ cm2。
图 1.钒液流电池系统的基本原理。
图 2.(a)未官能化的PBI-co，(b)浓缩的H3PO4官能化的PBI-co，(c)浓缩的H2SO4官能化的PBI-co，以及(d)浓缩的H3PO4和H2SO4官能化的PBI-co的混合物的FTIR光谱。面板(a)和(d)中的插图分别是PBI-co官能化前后的照片。
图 3.显示钒离子扩散通过(a) Nafion：0 小时，(b) Nafion：20天后，(c)功能化 PBI-co：0小时，(d)功能化PBI-co：后的扩散池照片 20 天，以及(f)作为时间函数的钒浓度的 UV-vis 分析。下标a和b分别代表富钒半电池和空白半电池中的钒离子浓度。
图4.用于质子和氧钒离子通过 Nafion和功能化PBI-co膜的电驱动四点探针电池中的电流-电位 (I-V)曲线（a）1 M H2SO4，（b）1 M VOSO4,(c)对四种类似制备的功能化PBI-co膜的再现性研究，以及(d)作为RH函数的功能化PBI-co膜的面内交流阻抗电导率测量。
图 5. Nafion 和功能化 PBI-co 膜的空白半电池中钒离子浓度的紫外-可见分光光度分析：(a) 钒离子浓度与外加电位图和 (b) 钒离子浓度与外加电流图 .图 (a)中的插图是施加 1.4 V 电压 1 小时后电池的照片，显示在Nafion中交叉，但在功能化 PBI-co 膜中显示零交叉； 图 (b)中的插图是施加 500 mA 电流1小时后电池的照片，显示Nafion 膜中的交叉，但功能化 PBI-co 中的交叉为零。
图 6.空白半电池中作为时间函数测量的钒离子浓度分析显示(a)离子迁移前的第一个24 小时钒离子扩散期和离子迁移后的第二个24小时扩散期和48小时扩散期 对于功能化的 PBI-co 和 Nafion 膜，迁移和（b）在施加300 mA电流1小时期间经受离子迁移的钒离子交叉。
图 7. (a)单电池钒-RFB 中功能化PBI-co和Nafion膜的放电极化曲线和相关功率密度曲线。极化曲线是使用电池的HFR进行iR校正的。电解质是4.0 M H2SO4中的 1.0 M VOSO4，流速为 16 mL min-1 和温度。(b) 钒-RFB在100 mA cm-2下的充放电循环。 相关科研成果由美国可再生能源实验室Saheed Bukola等人于2021年发表在ACS Applied Polymer Materials（https:///10.1021/acsapm.1c01318）上。原文：Membrane-Induced Vanadium Crossover-Blocking Polybenzimidazole Copolymer with Exceptional Proton Selectivity。 |
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