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Novel ether-free sulfonated poly(biphenyl) tethered with tertiary amine groups as highly stable amphoteric ionic exchange membranes for vanadium redox flow battery

流动电池 离子交换膜 化学 离子键合 乙醚 联苯 叔胺 胺气处理 氧化还原 无机化学 离子交换 高分子化学 电解质 有机化学 电极 离子 物理化学 生物化学
作者
Jianfeng Xu,Shu Dong,Pan Li,Wenhao Li,Feng Tian,Junran Wang,Qingqing Cheng,Zhouying Yue,Hui Yang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:424: 130314-130314 被引量:49
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.130314
摘要

Abstract The development of cost-effective, ion-selective and highly stable non-fluorinated hydrocarbon membranes is crucial to the vanadium redox flow battery (VRFB). Herein, we report a facile approach to designing a novel ether-free amphoteric ionic exchange membrane (AiEM) grafted with long flexible alkyl side chains with zwitterionic groups, prepared by superacid-catalyzed polycondensation with post-modification. Both FTIR and H1NMR spectra confirm the polymer’s chemical structure. An acid-base interaction that can form between sulfonic group and tertiary amine group contributes to the high stability, low swelling ratio and vanadium ion permeability of the AiEM. Owing to the unique amphoteric structure and connected ion channels, optimized TA15-SPBP membrane achieves a high proton conductivity of 0.116 S cm−1 @ 25℃ together with superb ion selectivity of 14.7 × 105 S min cm−3 compared to that of Nafion212 membrane. Consequently, the VRFB assembled with the TA15-SPBP membrane exhibits superior coulombic/energy efficiencies of 99.1%/87% at 80 mA cm−2 with respect to Nafion212 (92.9%/78.2%). Importantly, the highly stable ether-free backbone and acid-base interaction greatly improve the structural stability of the membrane. During an 1188-cycling test, the TA15-SPBP membrane keeps almost unchanged efficiencies at 80 mA cm−2 with excellent capacity retention (80.5%) in comparison with Nafion212 (11.3%) during the first 200 cycles, thus demonstrating the promising prospects for VRFB applications.
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