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Nafion/h-BN/SPEEK三明治結(jié)構(gòu)讓釩電池更高效
時(shí)間:2019-02-26 10:24來源:材料人 作者:綜合報(bào)道
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質(zhì)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(fù)極電解液和提供質(zhì)子傳輸通道的作用，PEM的性能優(yōu)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(zhǎng)、成本低和規(guī)模設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
目前，商業(yè)化的PEM為Dupont公司的Nafion系列，但Nafion的全氟骨架制備過程復(fù)雜、價(jià)格昂貴并且釩離子滲透率高，嚴(yán)重制約全釩液流電池的大規(guī)模應(yīng)用。所以開發(fā)性能優(yōu)良的質(zhì)子交換膜替代Nafion仍然是全釩液流電池隔膜領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
在當(dāng)前的研究中，磺化聚醚醚酮（SPEEK）由于其價(jià)格低廉，具有較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)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(wěn)定性的問題，實(shí)驗(yàn)室中一般采用摻雜和共混的方法對(duì)其進(jìn)行性能優(yōu)化，雖然釩離子滲透率得以降低，質(zhì)子電導(dǎo)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(zhì)子傳輸、氫同位素分離等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前途，加之較高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度以及能有效隔斷甲醇和水等物質(zhì)等輸運(yùn)，可以作為燃料電池中的質(zhì)子傳導(dǎo)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(zhì)子交換膜仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
【成果簡(jiǎn)介】
為解決上述難題，本文發(fā)展了一種化學(xué)氣相沉積限制空間方法以實(shí)現(xiàn)大面積單層h-BN薄膜的制備。該方法以氨硼烷為前驅(qū)體，置于氣流上游，并將生長(zhǎng)襯底-多晶銅箔卷曲于石英管內(nèi)側(cè)置于反應(yīng)爐高溫區(qū)，進(jìn)而在靠近石英管內(nèi)壁的銅箔表面制備出接近完全單層的h-BN薄膜。
表征結(jié)果顯示二維h-BN具有很高的晶體質(zhì)量以及均一性。研究者還發(fā)展了一種功能層輔助轉(zhuǎn)移方法，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)二維薄膜的無損轉(zhuǎn)移，并在此基礎(chǔ)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(yīng)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(shí)質(zhì)子電導(dǎo)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(shí)，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(shí)，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(fā)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(xué)院(TBSI）2015級(jí)博士生劉佳曼和清華大學(xué)深圳研究生院2016級(jí)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(xué)基金委以及深圳市經(jīng)信委、科創(chuàng)委和發(fā)改委等部門支持。
【圖文導(dǎo)讀】
(責(zé)任編輯：子蕊)
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