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文章轉(zhuǎn)載自公眾號：X-MOL資訊

氧化石墨烯膜的工作原理設(shè)計以及在水系液流電池中的應(yīng)用。圖片來源：Chem

　　通過選擇尺寸較大的分子或者金屬配合物作為活性物質(zhì)，氧化石墨烯膜取得了非常高的離子選擇性，同時又可以允許支持電解質(zhì)在兩邊快速的傳輸來傳導(dǎo)電荷。而且，氧化石墨烯本身又可以進(jìn)行低成本大規(guī)模的制備。這一系列的特性都預(yù)示著氧化石墨烯膜作為新型的隔膜在水系液流電池中的潛在應(yīng)用。

　　首先，為了探索氧化石墨烯膜在液流電池中的潛在應(yīng)用，研究人員選取了多種類型的氧化還原電對，分別適用于酸性、堿性和中性電解液。另外，氧化石墨烯作為膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑單元，一是可以通過調(diào)節(jié)氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)實(shí)現(xiàn)離子傳輸行為的調(diào)控，二是也可以通過添加具有特定官能團(tuán)的高分子，例如細(xì)菌纖維素等，來進(jìn)一步調(diào)控內(nèi)在的納米孔道結(jié)構(gòu)以及增強(qiáng)相關(guān)的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。

氧化石墨烯膜在不同溶液中的離子滲透行為和在酸性、堿性和中性溶液中的離子傳導(dǎo)率。圖片來源：Chem

　　研究人員選擇性制備了三種具有不同納米孔道結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯基的膜，分別是LGO（低氧化程度）、HGO（高氧化程度）和HGO-BC（HGO和BC的復(fù)合膜），其中BC是細(xì)菌纖維素。通過在不同水溶液中的離子滲透實(shí)驗(yàn)，研究人員證明了氧化石墨烯膜具有對多種活性分子實(shí)現(xiàn)有效的阻擋穿透的能力，意味著在這些潛在的液流電池體系中，石墨烯膜可以避免或者有效降低交叉污染問題。

　　另外，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯膜可以在硫酸、氫氧化鉀和氯化鉀水溶液中同時表現(xiàn)出較高的離子電導(dǎo)率。一方面，氧化石墨烯片堆疊的二維納米結(jié)構(gòu)由于具有均勻的孔道結(jié)構(gòu)所以表現(xiàn)出強(qiáng)烈的尺寸分離效果；另一方面，氧化石墨烯表面的帶電官能團(tuán)不僅能提供電荷排斥效應(yīng)還可以促進(jìn)電解質(zhì)傳導(dǎo)，例如質(zhì)子等。因此，其在硫酸溶液中表現(xiàn)出最高的離子電導(dǎo)率，甚至可以達(dá)到和Nafion膜相當(dāng)?shù)乃?。隨后，為了驗(yàn)證氧化石墨烯膜作為液流電池隔膜的效果，研究人員選取了堿性溶液體系：亞鐵氰化鉀（正極，K4Fe(CN)6）和核黃素磷酸鈉（負(fù)極，F(xiàn)MN-Na）。

　　在相同體系下，氧化石墨烯膜表現(xiàn)出和Nafion膜相近的充放電曲線，另外在40毫安每平方厘米的電流密度下可以穩(wěn)定循環(huán)300圈，同時庫倫效率高達(dá)98%以上?？傊@種低成本的具有二維納米流道結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯膜在水系液流電池體系中表現(xiàn)出穩(wěn)定優(yōu)異的電化學(xué)行為。

氧化石墨烯膜在水系液流電池中的電化學(xué)性能。圖片來源：Chem

　　該研究工作通過利用氧化石墨烯的二維納米流道結(jié)構(gòu)以及特殊的離子傳輸機(jī)制設(shè)計了一種具有潛力的水系液流電池隔膜，為進(jìn)一步構(gòu)建低成本高性能的下一代液流電池提供了新的思路和更多的可能性。這一成果近期在線發(fā)表在Cell Press旗下的綜合性化學(xué)期刊Chem 上。