水系有机液流电池（AORFB）作为大规模储能技术的重要分支，其核心组件离子交换膜面临“高离子传导率-低活性物质阻隔率”的权衡困境。针对这一问题，北京工业大学安全福教授团队在Journal of Industrial and Engineering Chemistry发表题为“Enhancing aqueous organic redox flow battery (AORFB) performance with sulfonated poly(indole ketone)/sulfonated graphene oxide (SPIK/SGO) composite membranes”的研究，该工作提出一种基于磺化氧化石墨烯（SGO）的复合膜构建策略，通过协同调控膜离子传输通道与二维材料阻隔屏障，实现了膜性能与电池效率的同步提升。
10.1016/j.jiec.2026.05.007
研究亮点
- 功能化填料设计创新：采用硫酸直接磺化法在氧化石墨烯（GO）上接枝磺酸基团（–SO3H），接枝后的SGO兼具离子传导位点与负电荷排斥效应，且制备工艺简单，与聚合物基质有良好的相容性。
- 性能协同提升：SPIK/SGO-4复合膜实现K+电导率72.60 mS cm-1，较Nafion 115提升56.23%，同时活性物质渗透率显著降低，改善了非氟碳烃膜中离子传导与阻隔性能相互制约的局面。
- 长效稳定运行：装配SPIK/SGO-4膜的AORFB在60 mA cm-2下循环1000次以上，单次容量衰减率仅0.0243%，获得了99.67%的库仑效率（CE）和78.24%的能量效率（EE），EE优于纯SPIK聚合物膜（75.40%）和商业Nafion 115膜（65.73%）。
图文解析
1.SGO制备与复合膜结构设计
采用溶液浇铸法制备一系列SPIK/SGO-x复合膜，其中x表示SGO质量比（×10-3），如图1所示。通过硫酸磺化法在GO表面引入–SO3H与含氧官能团，FTIR（1150 cm-1 S=O伸缩振动峰）与XPS（165.08 eV S 2p峰）证实SGO成功合成；XRD显示磺化后(001)峰强度降低，表明–SO3H引发的层间排斥破坏了GO的有序堆叠（图2）。低负载下SGO在聚合物基体中均匀分散（图3），高负载时（SPIK/SGO-8）出现团聚。
图1 SGO和SPIK/SGO-x膜的制备示意图
2.离子传导与阻隔性能协同调控SGO的–SO3H与–OH基团提升膜亲水性（接触角从87.7°降至80.6°），构建水合离子传输通道，SPIK/SGO-4膜K+电导率达72.60 mS cm-1（80 °C）；刚性SGO片层与聚合物链段形成氢键交联，实现较高的机械强度和吸水率，并抑制膜溶胀。SGO的二维片层构建迂曲扩散路径，结合–SO3H的负电荷Donnan排斥效应，使SPIK/SGO-4对[Fe(CN)6]4-渗透率最低，实现传导与阻隔的协同优化。
3.电池效率与极化特性SPIK/SGO-4的AORFB面电阻（ASR）最低（0.87 Ω cm2），峰值功率密度达44.21 mW cm-2（较SPIK提升13.91%）。其在60 mA cm-2下库仑效率（CE）达99.67%，能量效率（EE）达78.24%，优于SPIK（75.40%）与Nafion 115（65.73%）；高电流密度（>100 mA cm-2）下EE优势更显著，验证了膜在低电阻与高选择性上的综合优势。
4. 循环稳定性与工业适用性SPIK/SGO-4膜电池在60 mA cm-2下循环1089次，容量保持率为73.47%，单次衰减率仅0.0243%，远低于原始SPIK（0.0301%/次）与Nafion 115（0.0321%/次）；循环后膜化学结构无明显变化，EE维持77.05%以上，表明其在长期运行中具备优异的结构与性能稳定性。
总结
该研究通过直接磺化法制备功能化SGO，构建了SPIK/SGO复合膜体系，实现了离子传导与阻隔性能的协同提升，为应对非氟碳烃类膜的性能权衡困境提供了新思路。SPIK/SGO-4复合膜兼具高电导率和低渗透率，组装的AORFB在效率与循环稳定性上均表现突出，为AORFB的实用化提供了低成本、高性能的膜材料解决方案。
作者简介
第一作者：张慧萍硕士
通讯作者：宋芃副教授
工作单位：北京工业大学
通讯邮件：songp@bjut.edu.cn
通讯作者：安全福教授 工作单位：北京工业大学 通讯邮件：anqf@bjut.edu.cn
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