兼具微相分离与固有微孔性的聚合物膜助力水系有机液流电池性能突破

针对水系有机液流电池（AORFB）中离子交换膜导电性与选择性难以兼得的难题，西湖大学团队通过整合受限微相分离与半刚性Tr?ger’s base（TB）框架，开发出分支型TB膜（b-DPM-N3）。该膜展现10?12 cm2 /s的超低活性物质渗透率，并在300 mA/cm2 电流密度下实现42%的能量效率（EE），为电化学器件膜设计提供新范式。

　　

研究背景与意义
随着可再生能源规模储能需求激增，水系有机液流电池（AORFB）因其安全性和成本优势成为研究热点。然而，其核心组件离子交换膜长期面临“导电性-选择性”的权衡困境：传统微相分离膜（如Nafion）因溶胀导致选择性下降，而固有微孔性聚合物（PIMs）虽能抑制溶胀却牺牲渗透抑制能力。这一矛盾严重制约了AORFB的功率密度和循环寿命。

西湖大学王潘团队在《Joule》发表的研究中，创新性地提出将受限微相分离结构与半刚性TB骨架相结合的策略。通过延迟引入三臂分支连接体和后功能化修饰，成功构建了兼具2.0 nm微相分离域和2 ?超微孔的分支型TB膜（b-DPM-N3），实现了离子“高速公路”与分子“精密筛分”的协同优化。

关键技术方法
研究采用三步法：（1）通过顺序合成策略制备可溶性分支TB聚合物，利用凝胶渗透色谱（GPC）监控聚合度；（2）后功能化引入亲水离子基团调控离子交换容量（IEC）；（3）结合小角X射线散射（SAXS）和分子模拟表征微相分离域尺寸与孔径分布。电池测试采用标准AORFB体系，对比商业膜评估性能。

研究结果
1. 膜结构设计
通过延迟引入三(4-氨基苯基)胺分支单元，TB骨架形成半刚性-柔性交替的主链结构。SAXS显示亲水域d间距仅2.0 nm，显著小于传统微相分离膜（2-31 nm），而气体吸附测试证实平均孔径（R_a
）为2 ?，达到分子筛分尺度。

2. 电化学性能
b-DPM-N3膜的质子电导率达0.12 S/cm，同时活性物质（如MV、AQDS等）渗透率低至10^?12
cm²
/s。在300 mA/cm²
高电流密度下，AORFB的能量效率（EE）达42%，且循环100次无容量衰减，显著优于Nafion 212膜（EE<35%）。

3. 机制解析
分子动力学模拟揭示：半刚性主链限制聚合物链运动，抑制溶胀；而分支拓扑结构增强机械强度，使微孔在溶胀条件下保持稳定。亲水基团的受限自组装形成连续离子通道，实现高效质子传输。

结论与展望
该研究通过“分子结构-微纳形貌-宏观性能”的多尺度调控，突破了膜材料的性能瓶颈。b-DPM-N3膜在保持PIMs尺寸稳定性的同时，兼具类Nafion的高导电性，为液流电池、燃料电池等电化学器件提供了新材料设计范式。研究者特别指出，这种“延迟分支”合成策略可拓展至其他功能性聚合物体系，在分子分离、催化载体等领域具有广阔应用前景。