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  可再生能源的廣泛利用是實(shí)現(xiàn)社會(huì)低碳化發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。然而，風(fēng)能，太陽能等可再生能源具有間歇不可控的特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出。因此，亟需發(fā)展與之相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)。全釩液流電池作為技術(shù)最為成熟的液流電池，具有能量效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性高、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)，有望成為未來大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的首選方案，用于可再生能源發(fā)電的平滑并網(wǎng)與調(diào)峰調(diào)頻。

  質(zhì)子交換膜是全釩液流電池的關(guān)鍵部件，起著傳導(dǎo)質(zhì)子，阻隔釩離子的作用，決定著電池的性能。目前，全氟磺酸膜因優(yōu)異的質(zhì)子電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性是全釩液流電池的首選膜材料，但高昂的成本和較差的釩離子阻隔性限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，研究者致力于開發(fā)性價(jià)比更高的非氟化膜。其中，磺化聚醚醚酮（SPEEK）因合成簡(jiǎn)單、易于修飾、機(jī)械性能優(yōu)越、成本低廉等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。

  SPEEK由芳基主鏈和直接連接于芳環(huán)的磺酸基團(tuán)構(gòu)成。由于SPEEK的疏水主鏈剛性較強(qiáng)且與親水側(cè)基之間的距離較小，導(dǎo)致SPEEK膜中離子相區(qū)的貫通性較差，質(zhì)子電導(dǎo)率較低，但釩離子阻隔性較好。雖然提高SPEEK的磺化度可以明顯提升其質(zhì)子電導(dǎo)率，但卻會(huì)造成膜的尺寸穩(wěn)定性、釩離子阻隔性、化學(xué)穩(wěn)定性的大幅下降。因此，難以同時(shí)提升SPEEK膜的質(zhì)子電導(dǎo)率與質(zhì)子選擇性，需要從調(diào)控SPEEK的微相結(jié)構(gòu)入手。相比于通過復(fù)雜的合成手段改變SPEEK的本征結(jié)構(gòu)來調(diào)整其親疏水微相結(jié)構(gòu)外，通過引入功能性填料的雜化改性方法則更加便捷。然而，傳統(tǒng)填料與聚合物基體的相容性較差，在雜化過程中易形成無效的界面，對(duì)膜的性能產(chǎn)生不利影響。因此，開發(fā)適用于SPEEK基體改性的功能填料是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

  吉林大學(xué)李昊龍課題組長(zhǎng)期從事質(zhì)子傳導(dǎo)材料的研究，尤其關(guān)注多酸團(tuán)簇在聚合物基體中的分散機(jī)制與質(zhì)子傳導(dǎo)行為，系統(tǒng)發(fā)展了基于多酸團(tuán)簇表面化學(xué)特征的雜化組裝方法，制備了一系列多酸/聚合物高性能雜化質(zhì)子導(dǎo)體（Nano Lett. 2023, 23, 3887; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202210695; CCS Chem. 2022, 4, 151; ACS Nano 2022, 16, 19240; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 21433; ACS Nano 2019, 13, 7135; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9013）。

圖一：通過自組裝手段在SPEEK膜中構(gòu)筑離子選擇性納米屏障的改性策略

圖二：雜化SPEEK膜中形成的核-殼結(jié)構(gòu)功能納米屏障

圖四：裝配有雜化膜的全釩液流電池性能。

  綜上，該工作成功將嵌段共聚物受限自組裝形成的納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用于質(zhì)子交換膜領(lǐng)域，開發(fā)了一種自組裝型改性劑，解決了膜的質(zhì)子電導(dǎo)率與釩離子滲透率之間難以平衡的矛盾，展現(xiàn)了協(xié)同雜化策略在全面提升聚合物電解質(zhì)膜綜合性能方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03064