Nafion/h-BN/SPEEK三明治結構讓釩電池更高效
時間:2019-02-26 10:24來源:材料人 作者:綜合報道
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質子交換膜（PEMs）是燃料電池和液流電池的核心部件，起到隔絕正負極電解液和提供質子傳輸通道的作用，PEM的性能優劣直接影響電池的性能和使用壽命。全釩液流電池由于具有容量大、使用壽命長、成本低和規模設置靈活等優點，逐漸成為了人們關注的焦點。
目前，商業化的PEM為Dupont公司的Nafion系列，但Nafion的全氟骨架制備過程復雜、價格昂貴并且釩離子滲透率高，嚴重制約全釩液流電池的大規模應用。所以開發性能優良的質子交換膜替代Nafion仍然是全釩液流電池隔膜領域的研究重點。
在當前的研究中，磺化聚醚醚酮（SPEEK）由于其價格低廉，具有較高的質子電導率，良好的化學穩定性和熱穩定性，是最有潛力取代Nafion膜的新型全釩液流電池膜材料。然而，純SPEEK膜存在釩離子滲透率高和穩定性的問題，實驗室中一般采用摻雜和共混的方法對其進行性能優化，雖然釩離子滲透率得以降低，質子電導率也隨之減小。
近年來的研究顯示，石墨烯、h-BN等二維材料在質子傳輸、氫同位素分離等領域有潛在的應用前途，加之較高的化學穩定性、熱穩定性、足夠的機械強度以及能有效隔斷甲醇和水等物質等輸運，可以作為燃料電池中的質子傳導膜。目前，制備大面積二維材料薄膜材料以及基于二維薄膜的質子交換膜仍是一個重大挑戰。
【成果簡介】
為解決上述難題，本文發展了一種化學氣相沉積限制空間方法以實現大面積單層h-BN薄膜的制備。該方法以氨硼烷為前驅體，置于氣流上游，并將生長襯底-多晶銅箔卷曲于石英管內側置于反應爐高溫區，進而在靠近石英管內壁的銅箔表面制備出接近完全單層的h-BN薄膜。
表征結果顯示二維h-BN具有很高的晶體質量以及均一性。研究者還發展了一種功能層輔助轉移方法，可實現厘米級二維薄膜的無損轉移，并在此基礎上制備出了Nafion/h-BN/SPEEK三明治薄膜，首次在全釩液流電池中得以應用。該三明治薄膜由于h-BN的加入，在釩離子滲透率顯著降低的同時質子電導率幾乎不變，因而較之純SPEEK膜，離子選擇性提高了三倍。
以該三明治薄膜所組裝的全釩液流電池，在120 mA/cm2電流密度下工作時，電池的庫倫效率約為98%，比純SPEEK膜的電池提高了2%；而在40 mA/cm2電流密度下工作時，電池的能量效率約為90%，比純SPEEK膜的電池提高了3%。
該研究以“Sandwiching h-BN Monolayer Films Between Sulfonated Poly(Ether Ether Ketone) and Nafion for Proton Exchange Membranes with Improved Ion Selectivity”為題，發表于ACS Nano上（DOI: 10.1021/acsnano.8b08680）。
論文第一作者為清華-伯克利深圳學院(TBSI）2015級博士生劉佳曼和清華大學深圳研究生院2016級碩士生于禮瑋，通訊作者為康飛宇教授和劉碧錄研究員，論文作者還包括蔡興科研究員，Usman Khan博士，蔡正陽，席靖宇副研究員。該研究由國家自然科學基金委以及深圳市經信委、科創委和發改委等部門支持。
【圖文導讀】
(責任編輯：子蕊)
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