钒氧化还原液流电池 (VRFB) 是一种很有前途的可持续储能系统。在 VRFB 电池中，离子交换膜 (IEM) 用于防止形成阴极/阳极短路并避免电解质交叉和副反应，同时允许质子传导以保持电池电中性。

迄今为止，全氟磺酸 (PFSA) 膜是 VRFB 应用最广泛的 IEM。然而，PFSA膜的严重钒离子渗透会缩短电池寿命并导致电池性能不理想。

由中国科学院深圳先进技术研究院李慧云教授、于树辉教授和叶家业博士领导的研究小组开发了一种基于二维纳米杂化材料的杂化膜。提高 VRFB 的性能。

该研究发表在Advanced Functional Materials 上（“In Situ Grown Tungsten Trioxide Nanoparticles on Graphene Oxide Nanosheet to Regulate Ion Selectivity of Membrane for High Performance Vanadium Redox Flow Battery”）。

WO 3 @GO 纳米杂化物的结构和形貌。（图片：SIAT）

在新开发的膜中，氧化石墨烯(GO) 纳米片嵌入 PFSA 基质中，作为减少钒离子渗透的“屏障”。三氧化钨（WO 3）纳米颗粒在GO纳米片表面原位生长以克服静电效应并增强GO纳米片的亲水性和分散性。

GO纳米片表面上的这些亲水性三氧化钨纳米粒子作为质子活性位点，促进质子传输。该研究的第一作者叶佳业博士表示。

多孔聚四氟乙烯 (PTFE) 薄层夹在膜中间作为增强层，增强了膜的稳定性。

在WO 3 @GO和PTFE层的协同作用下，混合膜表现出高离子选择性。与商用 Nafion 膜相比，具有优化混合膜的 VRFB 单电池具有更高的库仑效率和能量效率。

在他们之前发表在化学工程杂志上的研究（“由聚四氟乙烯层和功能化碳化硅纳米线创建的钒氧化还原液流电池的高级混合膜”）中，该研究团队开发了一种基于一维功能化碳化硅纳米线的夹层结构复合膜。

研究人员在全氟磺酸 (PFSA) 基质中引入了功能化碳化硅纳米线，并夹在超薄多孔聚四氟乙烯层之间。

这种混合膜不仅保持了良好的质子传导性，而且有效地减少了钒离子的渗透，从而提高了 VRFB 电池的性能。

这些研究为基于一维和二维改性材料设计用于 VRFB 的高性能 IEM 提供了制备策略，该策略可以扩展到包括水处理和燃料电池在内的其他领域。