研究背景
研究问题：中南大学与中和储能合作致力于实现非氟离子交换膜的产业化。本工作探讨了聚苯并咪唑（PBI）膜的分子相互作用调节对钒氧化还原液流电池（VRFB）能量效率的影响，提出了一种新策略以提高PBI膜的质子导电性。相关成果以“Regulating Molecular Interactions in Polybenzimidazole Membrane for Efficient Vanadium Redox Flow Battery”为题发表在ChemSusChem 上。
研究难点：传统的PBI膜由于其紧密结合的结构导致质子导电性差，限制了其在VRFB中的应用，如何有效放松膜结构以提高质子导电性是一个挑战。
关键论点
通过调节PBI膜内的分子相互作用，可以显著提高膜的质子导电性，达到3850%的提升。采用DMSO/水和酸处理的策略，可以有效切换膜内的相互作用，从而优化膜的性能。研究揭示了PBI膜的结构-性能关系，为VRFB膜的发展提供了重要的理论支持。以往的研究主要集中在膜材料的选择和膜的物理化学特性上，而本文则通过调节分子相互作用的方式来改善膜的性能，提供了新的思路。
研究方法
本文提出了一种通过调节分子相互作用的策略来设计高性能PBI膜的方法，主要包括以下几个方面：
膜的制备：采用DMSO/水混合溶液处理PBI膜，调节DMSO的比例以改变膜内的分子相互作用。通过实验发现，当DMSO的比例达到67mol%时，膜的质地显著变软，表现出胶状特性。质子导电性测试：通过酸处理后，膜的质子导电性从1.9mScm−1提高至76.3mScm−1，验证了膜性能的显著提升。该过程的关键在于膜内氢键的形成与转变。公式如下：分子相互作用分析：通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和电静势（ESP）等方法分析膜内分子相互作用的变化，揭示了DMSO与PBI分子之间的氢键形成。
理论模拟：采用分子动力学（MD）模拟分析DMSO比例变化对膜内分子相互作用的影响，发现E-PBI膜中主要的分子相互作用由范德华力转变为氢键。
材料选择：聚苯并咪唑（PBI）粉末、DMSO、酸等材料的选择和处理，确保膜的制备过程符合实验要求；膜的处理：膜浸泡在不同DMSO/水比例的混合溶液中24小时，随后进行酸处理，以实现膜内的质子化和相分离；性能测试：通过对比E-PBI-H+膜与普通PBI膜和Nafion212膜的质子导电性、能量效率等进行测试，评估膜的实际应用潜力。实验结果显示E-PBI-H+膜的能量效率达到80.5%；数据收集：收集不同DMSO比例下膜的液体吸收、膨胀比和质子导电性数据，分析其与膜内分子相互作用的关系。本文的实验结果显示，通过调节分子相互作用的策略显著提高了PBI膜的性能：
1、质子导电性提升：E-PBI膜的质子导电性从1.9mScm−1提高到76.3mScm−1，超过了商业Nafion212膜的性能，验证了调节分子相互作用的有效性；2、能量效率：在200mAcm−2下，E-PBI-H+膜组装的VRFB实现了80.5%的能量效率，显著优于Nafion212的76.1%；3、稳定性测试：E-PBI-H+-VRFB在600个循环测试中保持高效率，显示出其良好的稳定性和低钒离子渗透性；4、多孔结构的形成：酸处理后，E-PBI膜的孔隙率超过50%，为酸的引入提供了空间，进一步提高了质子导电性。结论：本文通过调节聚苯并咪唑膜内的分子相互作用，成功设计出高性能的E-PBI-H+膜，显著提高了其质子导电性和能量效率。研究表明，当DMSO的比例达到67mol%时，膜的结构得到优化，质子导电性从1.9mScm−1提升至76.3mScm−1，该膜在VRFB中的应用展现出良好的性能和稳定性，为未来高性能膜的开发提供了新的方向。
图片分析
图1：PBI膜内分子相互作用的变化
图1展示了不同DMSO比例下PBI膜中分子相互作用的变化，包括氢键模式和FT-IR光谱。随着DMSO比例的增加，PBI膜的分子相互作用由PBI分子间的氢键转变为DMSO与PBI分子之间的氢键。这种转变导致膜结构的放松，从而提高了质子导电性。FT-IR光谱的变化显示，DMSO的引入增强了膜的氢键相互作用，这为质子传导提供了更好的通道。
图2：E-PBI膜的凝聚力密度（CED）分析
图2展示了普通PBI与E-PBI膜中不同分子相互作用的比例，包括静电力和范德华力的贡献。E-PBI膜中静电力的比例显著增加，表明氢键相互作用在膜的结构中占据主导地位，这与膜的质子导电性提升相一致，因为氢键的增强有助于质子的迁移。动态模拟分析表明，DMSO与PBI之间的氢键强度较高，支持了DMSO在膜改性中的重要作用。
图3：膜的表面形貌和化学环境变化
图3展示了普通PBI膜与E-PBI-H+膜的表面形貌及其FT-IR光谱比较。E-PBI-H+膜的表面形貌显示出明显的多孔结构，这种结构为质子传递提供了更大的空间，有助于提高膜的质子导电性。FT-IR光谱比较显示，E-PBI-H+膜中DMSO的特征峰消失，表明DMSO已被酸处理去除，且膜中的咪唑环发生了质子化，进一步提升了膜的质子导电性。图4：VRFB性能对比
图4展示了由Nafion212、E-PBI-H+和普通PBI-H+组装的VRFB在不同电流密度下的库仑效率（CE）、电压效率（VE）和能量效率（EE）的比较。E-PBI-H+膜组装的VRFB在各个电流密度下的CE和EE均显著高于Nafion212和普通PBI-H+，显示出其在实际应用中的优越性能。这一结果验证了通过调节分子相互作用策略获得的E-PBI-H+膜在提高VRFB性能方面的有效性，表明其在清洁能源储存中的潜在应用价值。
图5：其他溶剂-非溶剂配方的效果
图5展示了不同溶剂-非溶剂配方（如DMSO/乙醇和DMF/水）处理的膜的液体吸收比例和质子导电性。结果表明，采用不同的溶剂-非溶剂配方同样可以实现膜性能的优化，进一步验证了调节分子相互作用策略的广泛适用性。这为未来的膜材料设计提供了新的思路，表明不同的溶剂组合可以有效地调节膜的微观结构和性能。
这些关键图表通过定量和定性的方式展示了调节PBI膜内分子相互作用的有效性及其对膜性能的影响，强调了DMSO在膜改性中的重要作用，并为VRFB的高效能提供了实验依据。通过这些图表的分析，文章不仅揭示了膜的性能优化机制，也为未来的研究方向提供了重要的参考。
