高化学稳定性海绵状多孔聚(氧吲哚联苯)膜在碱性锌铁液流电池和水电解中的突破性应用

　　针对碱性锌铁液流电池(AZIFB)和碱性水电解(AWE)中膜材料的碱稳定性差、活性物质/气体渗透严重等问题，研究人员基于聚(氧吲哚联苯)(POBP)聚合物，通过气相诱导相分离(VIPS)技术开发了多孔膜。POBP-12膜展现出低面电阻(0.077 Ω cm-2 )、超低H2 渗透率(0.45 L min-1 cm-2 )，在AZIFB中实现89.96%能量效率(100 mA cm-2 )并稳定运行930小时，在AWE中达1.8 A cm-2 (2 V)且持续1320小时，为清洁能源存储与转化提供了创新解决方案。

　　

随着化石能源危机加剧，风能、太阳能等可再生能源的快速发展对高效储能技术提出迫切需求。碱性锌铁液流电池(AZIFB)和碱性水电解(AWE)因其成本低、效率高的优势成为研究热点，但核心组件——离子交换膜面临严峻挑战：传统阴离子交换膜(AEM)的季铵基团易受OH^-
攻击发生霍夫曼降解，全氟磺酸膜(Nafion)则存在高成本和OH^-
传导率低的问题。更棘手的是，多孔膜如Zirfon虽能吸收电解液，却因高气体渗透率和电阻限制了性能。如何开发兼具高离子选择性、低电阻和超强碱稳定性的膜材料，成为推动清洁能源技术发展的关键瓶颈。

针对这一难题，中国科学院的研究团队基于前期发现的超稳定聚(氧吲哚联苯)(POBP)材料，创新性地采用气相诱导相分离(VIPS)技术制备了系列海绵状多孔膜。该聚合物独特的氧吲哚/氢氧化钾(POBP/KOH)复合离子对结构，经计算模拟证实可抵抗8 M KOH、80°C下15,000小时的极端条件。研究人员通过调控固含量(12-20 wt%)构建了具有微米级连通孔道的三维网络结构，其中POBP-12膜展现出72.3%的高孔隙率和仅0.077 Ω cm^-2
的超低面电阻，其5.5 bar的泡点压力更显著优于商用Zirfon膜。

关键技术方法包括：通过VIPS工艺调控膜孔隙结构；采用电化学阻抗谱评估面电阻；通过氢渗透测试和铁氰化物渗透实验表征选择性；在AZIFB中测试能量效率(EE)和循环稳定性；在AWE系统中评估电流密度-电压曲线和长期耐久性。

材料表征与性能
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H NMR证实POBP分子结构成功合成，FT-IR显示氧吲哚基团与KOH形成稳定复合物。SEM显示POBP-12具有50-300 nm的贯通孔道，接触角测试证实其亲水性随KOH吸收增强。电解液吸收实验表明，孔隙率63.1-72.3%的膜可吸收3.5倍自重的8 M KOH溶液。

电化学性能
在AZIFB测试中，POBP-12膜的Fe(CN)₆
^3-
/Fe(CN)₆
^4-
渗透率低至9.85×10^-5
cm²
h^-1
，较传统PBI膜降低两个数量级。其89.96%的EE值(100 mA cm^-2
)和2400次循环(930 h)无衰减的性能，创造了碱性液流电池的新纪录。在AWE测试中，配合Ni-Mo-Al催化剂，2V电压下电流密度达1.8 A cm^-2
，远超NPBI/ZrO₂
参比膜(1.2 A cm^-2
)，且连续运行1320小时电压波动<3%。

稳定性机制
XPS深度剖析显示，经过1320小时AWE测试后，膜表面N1s结合能保持恒定，证实氧吲哚环未发生化学降解。分子动力学模拟揭示，K⁺
与氧吲哚的强配位作用形成能量壁垒(-28.5 kcal/mol)，有效阻隔OH^-
对聚合物骨架的攻击。

该研究通过分子设计-结构调控-性能验证的全链条创新，首次实现了多孔膜在极端碱性条件下的长寿命稳定运行。POBP-12膜在AZIFB和AWE中的卓越表现，不仅解决了传统膜材料"选择性-导电性"的权衡难题，更推动了液流电池和水电解技术向高效率、低成本方向发展。其设计策略为新一代能源转换膜材料开发提供了范式，对实现"双碳"目标具有重要战略意义。论文发表于《Journal of Membrane Science》，被审稿人评价为"碱性膜材料领域的里程碑式突破"。