高分子材料作为现代生产生活的关键基础，其衍生的各类膜材料已广泛应用于气体分离、海水淡化等领域。其中，离子交换膜在水系液流电池中扮演着核心角色，它通过选择性传导离子并阻隔活性物质交叉渗透，直接决定了电池的循环稳定性、能量效率和输出功率。然而，传统离子交换膜（如商业化Nafion®膜及广泛研究的自具微孔离子交换膜）普遍面临离子电导率与选择性难以兼顾的技术瓶颈。因此，开发兼具高离子电导率与高选择性的新一代离子交换膜，是突破水系液流电池性能瓶颈、提升其运行效率的关键所在。

  为解决上述问题，西湖大学王盼课题组设计了一种具有双重离子通道的支化型聚合物膜b-TB。b-TB膜兼具微相分离及自具微孔型离子通道，离子电导率优良；其双离子通道尺寸均低于目前报道的其他聚合物膜材料，对不同结构的有机活性分子展现出优良的抗渗透能力，并在水系有机液流电池体系（AORFB）中表现优异。

  2025年6月11日，该工作以“A Polymer Membrane with Integrated Microphase Separation and Intrinsic Microporosity for Aqueous Organic Redox Flow Batteries”为题发表在能源类顶级期刊Joule上。西湖大学王盼研究员为论文的通讯作者，博士后何光辉为第一作者。

图1. b-TB膜的设计思路与制备方法

  作者采用后支化合成策略，实现膜在高离子化程度下具备优良的机型性能，并在极性溶剂中表现出良好的溶解性，可采用溶液浇筑法成膜。通过调控支化连接单元的结构、比例和骨架结构的刚性，实现了膜的形态学和微孔结构调控，制备出兼具微孔型和相分型离子通道的b-TB膜（图1）。

图2. b-TB膜的离子通道表征

  作者对膜的离子通道结构进行了详细的表征（图2）。通过二氧化碳吸附、原子力显微镜测试、正电子湮没和小角X射线散射技术，作者分别对膜的微孔及亲水域尺寸进行了表征，发现在相同的技术手段下，b-TB膜的平均微孔半径（< 2.3 ?）和亲水域d值（2.0-2.1 nm）在目前已报道的所有膜中均处于最低的水平。表明b-TB膜具有丰富且狭窄的离子通道结构。

图3. b-TB膜的物理-电化学性能

  b-TB膜兼具优良的离子电导率和选择性（图3）。在2 M氯化钾介质中，b-TB的膜面电阻仅为0.42 Ω?cm²，远低于商业化的DSV膜。同时b-TB膜展现出优异的离子选择性，对不同结构的有机活性分子表现出良好的抗渗透性，渗透系数低至10^-12 cm²/s数量级。b-TB膜打破了传统聚合物膜在电导率和渗透率之间的相互制衡。

图4. b-TB膜在中性AORFB中的电池性能

  作者成功将b-TB膜应用到中性体系的AORFB中（图4）。在0.5 M活性物质浓度下，b-TB膜展现出优异的电阻与功率表现。在不同电流密度下的能量效率也显著优于相同电池体系下的其他膜材料。b-TB膜的长循环性能也十分优异，在0.1 M电解质浓度下，电池稳定运行超过230小时，且无明显的能量效率和容量衰减。和0.5 M 电解质浓度下，电池可在高达300 mA/cm²的电流密度下高效、稳定运行。b-TB膜在AORFB中的表现进一步证明其优异的电导率和选择性。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101976

课题组简介

  王盼博士，2015年获中国科学院上海有机化学研究所博士学位，2016年至2019年在麻省理工学院MIT从事博士后研究。2019年11月加入西湖大学，任理学院特聘研究员、博导。王盼实验室聚焦于有机合成化学、能源化学和材料化学交叉领域，致力于设计和发展新材料并探索其功能性应用。团队在水系有机液流电池关键材料、电化学储能等领域取得重要研究进展。加入西湖大学以来，以通讯作者身份在Nat. Energy，Joule，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表多篇学术论文。

  课题组有多个博士后位置和博士招生名额，欢迎具有有机合成背景、光电器件及能源材料背景的小伙伴们加入！