文章轉載自公眾號：X-MOL資訊

氧化石墨烯膜的工作原理設計以及在水系液流電池中的應用。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，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在兩邊快速的傳輸來傳導電荷。而且，氧化石墨烯本身又可以進行低成本大規模的制備。這一系列的特性都預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用。

　　首先，為了探索氧化石墨烯膜在液流電池中的潛在應用，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構的構筑單元，一是可以通過調節氧化石墨烯表面的含氧官能團實現離子傳輸行為的調控，二是也可以通過添加具有特定官能團的高分子，例如細菌纖維素等，來進一步調控內在的納米孔道結構以及增強相關的機械性能和化學穩定性。

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構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的復合膜），其中BC是細菌纖維素。通過在不同水溶液中的離子滲透實驗，研究人員證明了氧化石墨烯膜具有對多種活性分子實現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，研究人員進一步發現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出較高的離子電導率。一方面，氧化石墨烯片堆疊的二維納米結構由于具有均勻的孔道結構所以表現出強烈的尺寸分離效果；另一方面，氧化石墨烯表面的帶電官能團不僅能提供電荷排斥效應還可以促進電解質傳導，例如質子等。因此，其在硫酸溶液中表現出最高的離子電導率，甚至可以達到和Nafion膜相當的水平。隨后，為了驗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（負極，FMN-Na）。

　　在相同體系下，氧化石墨烯膜表現出和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定循環300圈，同時庫倫效率高達98%以上。總之，這種低成本的具有二維納米流道結構的氧化石墨烯膜在水系液流電池體系中表現出穩定優異的電化學行為。

氧化石墨烯膜在水系液流電池中的電化學性能。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構以及特殊的離子傳輸機制設計了一種具有潛力的水系液流電池隔膜，為進一步構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表在Cell Press旗下的綜合性化學期刊Chem 上。