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Novel ether-free membranes based on poly(p-terphenylene methylimidazole) for vanadium redox flow battery applications

化学 流动电池 Nafion公司 选择性 溴化物 溶解度 高分子化学 氧化还原 无机化学 化学稳定性 烷基 电化学 有机化学 催化作用 电极 生物化学 物理化学 电解质
作者
Tong Mu,Weiqin Tang,Ning Shi,Guorui Wang,Tingting Wang,Ting Wang,Jingshuai Yang
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:659: 120793-120793 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2022.120793
摘要

The fabrication of low-cost and high-performance membranes is one of the most critical issues for vanadium redox flow batteries (VRFBs). Herein, a novel ether-free poly(p-terphenylene methylimidazole) (PTMIm) is synthesized by a facile one-pot Friedel-Crafts polyhydroxyalkylation of p-terphenyl and 1-methyl-2-imidazolecarboxaldehyde. The PTMIm has excellent organic solubility and good chemical stability towards high valence vanadium ions. Meanwhile, due to the present pendant imidazole groups, the PTMIm membrane exhibits a high sulfonic acid absorption capability, achieving a suitable area resistance (AR). In order to further enhance the performance of the PTMIm membrane, side-chain quaternization is carried out by using 1-bromopropane, 3-bromo-N,N,N-trimethylpropan-1-aminium bromide and 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethyl ammonium chloride as quaternized reagents. Comparing with pure PTMIm membrane and propyl group grafted membrane (i.e. PTMIm-C3), terminal quaternary ammonium side chain grafted membranes of PTM-C3-QA and PTMIm-C3-OH-QA possess lower AR and better vanadium ion resistance simultaneously. Consequently, the ion selectivity value of the PTMIm-C3-QA membrane is 8.7 × 105 S min cm−3, which is approximately 130 times higher than that of Nafion 115 (6.6 × 103 S min cm−3), mainly resulting from its low AR (0.68 Ω cm2) and ultralow vanadium ion permeability (9.5 × 10−9 cm2 min−1). Meanwhile, both PTMIm and its grafted membranes exhibit excellent chemical stabilities within 400 h chemical stability test. Owing to the superior restriction on vanadium migration, the single cell with PTMIm-C3-QA displays an excellent self-discharge duration of 500 h, which is greatly longer than that of Nafion 115 (58 h). In the range of 40–160 mA cm−2, the PTMIm-C3-QA based cell expresses higher coulombic efficiencies (>99.5%) and larger energy efficiencies than the cell with Nafion 115. For the cycling test of VRFB during 500 cycles, the PTMIm-C3-QA based cell displays excellent cycle stability and good discharge capacity retention, indicating a great application potentiality of the PTMIm-C3-QA membrane for VRFBs.
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