受泥炭藓启发的高含水量多孔膜，适用于高功率密度钒流邱健蓄电池

提高膜的离子导电性对于高功率密度钒流电池（VFBs）至关重要。一种受泥炭苔启发的膜设计用来提高功率密度。泥炭苔是一种超亲水植物，其叶片由于表面粗糙且有海绵状的孔洞，能容纳多达自身体重20倍的水分。受此启发，我们成功制备了受泥炭苔启发的膜，带有条纹图案的表面和海绵状大孔。特殊的形态特征提升了亲水性和含水量。利用这一点，质子传导通过载具和格罗特萨斯机制得到增强。此外，我们详细研究了不同条纹图案表面对膜亲水性的影响，并通过多物理场模拟验证了这一点。因此，采用水苔启发膜的VFB可提供高峰值功率密度646.6 mW cm。⁻²即使在200毫安厘米的高电流密度下，电压效率仍达82%⁻².本研究提供了一种有用的仿生策略，以提升多孔膜的含水量，并有望制备高导电膜。

图形摘要

钒流式电池（VFB）[1]、[2]因其高效、长周期寿命[4]、灵活设计和高安全性而备受关注[3]。然而，其广泛的商业应用仍受材料成本高昂的限制[4]、[6]、[7]。因此，提高功率密度对于生产具有成本效益的储能系统至关重要。该膜在VFB[3]、[8]中起着重要作用，在运输质子的同时分离钒离子，完成内部回路[9]，[10]，[11]。具有高质子导电性的膜是实现VFB高功率密度的关键[12]。
与成本较高的Nafion膜和稳定性较差的非氟离子交换膜相比[13]，多孔膜因其低成本和优异的可靠性被证明是一个有前景的选择[14]。然而，通过孔径筛分的多孔膜性能通常由形态[15]决定，这在离子导电性和选择性之间权衡[16]。具有高导电性的多孔膜，通常通过调制相变参数[17]，更倾向于孔隙丰富且孔径较大，但这会导致钒离子渗透过多。为提升质子电导率，Li等人制造了具有超薄聚酰胺选择层（约180纳米）的膜[18]，显著提升了VFB的功率密度。然而，超薄膜的长期机械稳定性仍是挑战。
研究人员还尝试基于运输机制改进质子电导率[19]。如报道所述，多孔膜中的质子传导可以通过Grotthuss[20]、载体或表面机制实现（见图S1和S2）。引入阳离子交换树脂（如SPEEK、SPI和SPES）可以帮助质子通过表面机制转移[21]。由于Grotthuss机制带来的质子导电性较快，丰富的氢键网络通过酸碱交联和含氮纳米颗粒的引入，在多孔膜中构建起来[22]。同时，通过添加亲水基团和纳米材料（包括二氧化硅、二氧化钛[23]、金属有机框架[24]、[25]等）来增加多孔膜中的水分含量，是一种简单且有效的策略[27]。在含水量较高的膜中，载体和格罗特斯机制占主导并被增强，加速质子传导。
含水量与多孔膜表面亲水性密切相关。除了引入亲水基团和纳米材料外，具有装饰图案的表面结构还能改变表面疏水/亲水性质[28]、[29]、[30]、[31]。Tricinci等人设计了一种受Salvinia Molesta启发的超疏水表面，在液滴与图案表面之间形成了空气层[32]。段等人[33]制造了具有小尺度图案的膜，由于毛细作用力增强，膜的亲水性得到了增强[34]。以往的研究还证明，图案膜在水处理领域[35]和有机溶剂纳米过滤[36]、[37]、[38]中显著增加了水通量。Tan 等人生成了具有纳米级图灵结构的聚酰胺膜，表现出优异的水渗透性和水盐分离性能[39]，约是传统膜的两倍，受益于图灵结构中高透水位点的优势。尽管效果优异，但关于花纹膜在VFB中的应用研究仍然不足。
泥炭藓（方案1）是一种苔藓，通常生长于温带沼泽，可分解形成泥炭[40]。它是泥炭生态系统形成的关键组成部分。其叶片能容纳大量水分：重量可达自身20倍，因其粗糙的条纹表面和海绵状的大孔结构而受益。受水苔启发，我们用简单方法制作了表面带有条纹图案的海绵状多孔膜，并期望它拥有高含水量。
本研究中，受泥炭藓启发的膜选择聚苯并咪唑聚合物作为基质，因其在VFB电解质中的优异化学稳定性。表面的条纹是根据定制模具复制的，海绵状的大孔隙则通过蒸汽诱导的相分离形成。系统性地研究了条纹图案对膜亲水性和导电性的影响。受泥炭藓启发的膜得益于条纹状表面，表现出高亲水性和含水量（方案1），这一点已被多物理场模拟验证。因此，受泥炭藓启发的膜表现出高离子电导率（54毫秒厘米）⁻¹).采用泥炭藓启发膜的VFB展现了646.6毫瓦厘米的超高峰值功率密度⁻²在200毫安厘米的电流密度下，电压效率可达82%。⁻².受水苔启发的膜在高功率密度的VFB中展现出巨大潜力。