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南京工业&华东理工Nature Sustain.又一篇分子筛“玩转”储能领域

时间：2022-10-18 来源：浏览：

南京工业&华东理工Nature Sustain.又一篇分子筛“玩转”储能领域

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收录于合集

第一作者：Yongsheng Xia

通讯作者：金万勤，黄康，徐至

通讯单位：南京工业大学，华东理工大学

研究表明，可再生能源在未来能源中所占份额越来越大，以应对化石燃料大量碳排放带来的可持续性挑战。其中，加速经济脱碳的日益紧迫性，推动了大规模储能和转换技术的开发，如液流电池（FBs），燃料电池和电解水，从而解决可再生能源的间歇性和不稳定性，离子选择膜作为许多电化学器件的主要组成部分，在控制能源转换和利用效率方面发挥着重要作用。在含有可回收不可燃电解质的水系FBs中，离子选择膜在引导离子完成电路且分离阳极和阴极之间的化学反应发挥着重要作用。然而，目前的膜材料，包括常用的全氟磺酸基Nafion，由于其通道不规则，通常离子选择性低，电导率有限并出现了严重的肿胀。因此，高效膜的设计和开发有利于最大限度地利用可再生能源，促进能源的可持续性。

设计离子选择膜，主要有两个主要的考虑因素。一是制备具有精确选择性的快速、规则的离子传输通道，二是构建具有高度对齐和定向的通道架构。分子筛材料，如沸石具有明确的互联刚性通道和超稳定框架，定向沸石多晶膜最初具有有效离子分离的潜力，由于晶界缺陷、不完全/交错覆盖、随机定向错位和结构脆弱，其制备和应用技术仍面临着巨大的挑战。

另一种方法是将沸石加入到聚合物基质中，这可以利用分子筛和纯聚合物膜中可行的制造工艺。然而，值得注意的是传统沸石材料的各向同性使得其无法在聚合物中的分子筛分通道中对齐。二维（2D）沸石纳米片（Zns）为实现这一目的提供了一条方便和实用的途径，在聚合物中加入纳米片能够最大限度地利用高长宽比结构的好处。特别是，通过采用具有本质上常规筛分通道的二维材料，这一优点将进一步放大。然而由于熵，纳米片在聚合物引力中的分布转向随机性，使得开发具有高度对齐结构的复合膜具有挑战性，且膜的设计取决于离子电导率和选择性之间的权衡。

在此，南京工业大学金万勤教授和黄康副教授，以及华东理工大学徐至教授等人展示了一种简单而可控的挥发性剪切流诱导排列（VSFI）策略，以有序的方式分散含铝的ZNs在聚合物基体中，挥发过程中产生的剪切力控制聚合物中ZNs的取向。这些排列好的纳米片既可以最大限度地区分离子，也可以使之能够快速的质子输运，从而打破了离子选择性和电导率之间的权衡，其兼具高质子电导率（80.1mS cm ^- ¹ ）和良好的钒离子选择性（2.01×10 ⁵ S min cm ^- ³ ）。同时增强了抗拉强度和膨胀阻力。实验结果表明，将膜的活性和选择性进一步进一步应用到液流电池中，将这种排列的膜与钒液流电池匹配，在200 mA cm ^- ² 的电流密度下能够稳定循环1000圈，且能效高达80%，这项工作使膜的设计结合了其他与之相互排斥的特性，为储能的许多应用提供了可能。

相关研究成果“ Polymeric membranes with aligned zeolite nanosheets for sustainable energy storage ” 为题发表在 Nature sustainability 上。

图1. 在聚合物膜中排列的沸石纳米片的结构和制备示意图。

图2. 具有排列ZNs特征的聚合物膜的结构表征。

图3. 对聚合物膜中ZNs排列的控制。

图4. 聚合物膜的特性。

图5. 液流电池性能。

【文献信息】

Yongsheng Xia , Hongyan Cao , Fang Xu , Yuxin Chen , Yu Xia , Dezhu Zhang , Liheng Dai , Kai Qu , Cheng Lian , Kang Huang , Weihong Xing , Wanqin Jin , Zhi Xu , Polymeric membranes with aligned zeolite nanosheets for sustainable energy storage , 2022, Nature sustainability.