清华-伯克利深圳学院康飞宇、刘碧录团队ACS Nano：Nafion/h-BN/SPEEK三明治结构用于提高质子交换膜离子选择性，让钒电池更高效

【引言】

质子交换膜（PEMs）是燃料电池和液流电池的核心部件，起到隔绝正负极电解液和提供质子传输通道的作用，PEM的性能优劣直接影响电池的性能和使用寿命。全钒液流电池由于具有容量大、使用寿命长、成本低和规模设置灵活等优点，逐渐成为了人们关注的焦点。目前，商业化的PEM为Dupont公司的Nafion系列，但Nafion的全氟骨架制备过程复杂、价格昂贵并且钒离子渗透率高，严重制约全钒液流电池的大规模应用。所以开发性能优良的质子交换膜替代Nafion仍然是全钒液流电池隔膜领域的研究重点。在当前的研究中，磺化聚醚醚酮（SPEEK）由于其价格低廉，具有较高的质子电导率，良好的化学稳定性和热稳定性，是最有潜力取代Nafion膜的新型全钒液流电池膜材料。然而，纯SPEEK膜存在钒离子渗透率高和稳定性的问题，实验室中一般采用掺杂和共混的方法对其进行性能优化，虽然钒离子渗透率得以降低，质子电导率也随之减小。

近年来的研究显示，石墨烯、h-BN等二维材料在质子传输、氢同位素分离等领域有潜在的应用前途，加之较高的化学稳定性、热稳定性、足够的机械强度以及能有效隔断甲醇和水等物质等输运，可以作为燃料电池中的质子传导膜。目前，制备大面积二维材料薄膜材料以及基于二维薄膜的质子交换膜仍是一个重大挑战。

【成果简介】

为解决上述难题，本文发展了一种化学气相沉积限制空间方法以实现大面积单层h-BN薄膜的制备。该方法以氨硼烷为前驱体，置于气流上游，并将生长衬底-多晶铜箔卷曲于石英管内侧置于反应炉高温区，进而在靠近石英管内壁的铜箔表面制备出接近完全单层的h-BN薄膜。表征结果显示二维h-BN具有很高的晶体质量以及均一性。研究者还发展了一种功能层辅助转移方法，可实现厘米级二维薄膜的无损转移，并在此基础上制备出了Nafion/h-BN/SPEEK三明治薄膜，首次在全钒液流电池中得以应用。该三明治薄膜由于h-BN的加入，在钒离子渗透率显著降低的同时质子电导率几乎不变，因而较之纯SPEEK膜，离子选择性提高了三倍。以该三明治薄膜所组装的全钒液流电池，在120 mA/cm²电流密度下工作时，电池的库伦效率约为98%，比纯SPEEK膜的电池提高了2%；而在40 mA/cm²电流密度下工作时，电池的能量效率约为90%，比纯SPEEK膜的电池提高了3%。

该研究以“Sandwiching h-BN Monolayer Films Between Sulfonated Poly(Ether Ether Ketone) and Nafion for Proton Exchange Membranes with Improved Ion Selectivity”为题，发表于ACS Nano上（DOI: 10.1021/acsnano.8b08680）。论文第一作者为清华-伯克利深圳学院(TBSI）2015级博士生刘佳曼和清华大学深圳研究生院2016级硕士生于礼玮，通讯作者为康飞宇教授和刘碧录研究员，论文作者还包括蔡兴科研究员，Usman Khan博士，蔡正阳，席靖宇副研究员。该研究由国家自然科学基金委以及深圳市经信委、科创委和发改委等部门支持。

【图文导读】

图1. 限制空间策略：生长大面积六方氮化硼薄膜

图2. 功能层辅助转移策略：制备Nafion/h-BN/SPEEK三明治薄膜

图3. 三明治薄膜在全钒液流电池中的应用：离子选择性和库伦效率得以提高

原文链接：Sandwiching h-BN Monolayer Films Between Sulfonated Poly(Ether Ether Ketone) and Nafion for Proton Exchange Membranes with Improved Ion Selectivity （ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b08680）

网址：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/acsnano.8b08680

本文由清华大学清华-伯克利深圳学院康飞宇、刘碧录团队供稿，材料人编辑部编辑

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