近日，由重庆大学材料学院孙立东教授、长沙理工大学丁美教授、贾传坤教授共同主导，开发了一种低成本、高性能全氟磺酸基复合离子交换膜——Nafion/TiO2纳米管复合膜，并应用于钒液流电池。TiO2纳米管的超亲水性使其均匀分散在Nafion基体中，并展现了良好的抑制钒离子渗透作用。在120 mA cm–2电流密度下，钒液流电池能量效率高达84.4%，稳定循环超过1400次，持续518小时以上，远高于商业化Nafion膜。相关研究结果于2020年3月29日在Wiley出版社旗下《Advanced Energy Materials》期刊线上发表，题目为Hybrid Membranes Dispersed with Superhydrophilic TiO2 Nanotubes Toward Ultra-Stable and High-Performance Vanadium Redox Flow Batteries。

钒液流电池是当前最具前景的大规模储能技术之一，既可作为清洁能源发电的储能装置，又可作为电网调峰的辅助手段，实现电网安全、高效运行。离子交换膜作为液流电池的关键材料之一，决定了电池的性能和成本；其将正负电极、电解液隔离，防止电极接触短路以及电解液的交叉污染，同时允许平衡离子自由穿过隔膜保持电池整体的电中性。当前，钒液流电池常用的Nafion系列隔膜离子选择性低，严重影响了钒液流电池的发展。对此，研究团队采用电化学阳极氧化法制备TiO2纳米管，并利用其超亲水性调控Nafion膜结构，减少了聚合物的使用，最终获得高性能钒液流电池离子交换膜。该技术大幅提高了隔膜的离子选择性能并降低了隔膜成本，具有广泛的应用前景。

论文报道了一种将超亲水二氧化钛纳米管分散在Nafion基质中的复合膜。混合膜的VRFB单细胞在120ma cm−2下表现出很高的库伦效率(CE，≈98.3%)和突出的能量效率(EE，≈84.4%)，高于商业Nafion 212膜(CE，≈94.5%);EE,≈79.2%)。更重要的是，电池在1400次循环(518 h以上)后放电率保持在≈55.7%，与商业Nafion 212仅410次循环后放电率≈20%形成明显对比。这是由于杂化膜具有较高的离子选择性，其原因是:1)分散的纳米管导致离子扩散途径受阻和延长;2)磺酸基在纳米管表面的结合和取向。高性能膜在其他领域也有重要的应用，如燃料电池、透析电池和水处理。

钒液流电池示意图、TiO2纳米管和Nafion/TiO2纳米管复合膜形貌与结构

该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、机械传动国家重点实验室、公路养护技术国家工程实验室和湖南省团队百人计划等项目的资助。重庆大学材料科学与工程学院与长沙理工联合培养博士生叶家业为论文第一作者，我院孙立东教授、长沙理工大学丁美教授、贾传坤教授为共同通讯作者。

来源 新材料资讯&重庆大学材料学院

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201904041