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Surface-Modified Approach to Fabricate Nafion Membranes Covalently Bonded with Polyhedral Oligosilsesquioxane for Vanadium Redox Flow Batteries

材料科学 Nafion公司 化学工程 X射线光电子能谱 傅里叶变换红外光谱 表面改性 接触角 高分子化学 电化学 复合材料 化学 电极 物理化学 冶金 工程类 生物化学
作者
Hongli An,Run Zhang,Wenhao Li,Pan Li,Huidong Qian,Hui Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (6): 7845-7855 被引量:28
标识
DOI:10.1021/acsami.1c20627
摘要

An aminopropyl isobutyl polyhedral oligosilsesquioxane (NH2-POSS) surface-modified Nafion membrane has been designed by chemical grafting for vanadium redox flow batteries (VRFBs). NH2-POSS is a cage-like macromer consisting of an inorganic Si8O12 core surrounded by seven inert isobutyl groups and one active aminopropyl group. The sulfonic acid groups on the surface of Nafion can be activated by 1,1-carbonyldiimidazole for further modification with NH2-POSS. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) prove that NH2-POSS has been successfully grafted on the surface of a Nafion 115 membrane. Although the proton conductivity decreases slightly, the organic-inorganic hybrid membranes display enhanced ion selectivity and excellent dimensional stability with lower water uptake and swelling ratio than Nafion 115. Moreover, two-dimensional-grazing incidence X-ray diffraction (2D-GIXRD) reveals that the introduction of NH2-POSS forms a POSS layer on the surface of the membrane and narrows the space of Nafion clusters, which helps to block VO2+ permeation. A VRFB with the surface-modified Nafion membrane displays an outstanding performance with an average Coulombic efficiency (CE) of 98.7% and energy efficiency (EE) of 84.5% at a current density of 80 mA cm-2, superior to those of the Nafion 115 membrane (CE = 95.7%, EE = 81.7%). Furthermore, the cell holds a high capacity retention of 49.2% after 1000 charge-discharge cycles, in contrast to that of 41.9% for the cell with Nafion 115 after only 200 cycles. The results suggest that the surface-modified hybrid membrane is a promising strategy to overcome the vanadium ion crossover in VRFBs.
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