一种基于荷电纳米片催化层的双极膜及其制备方法和在海水解离中的应用

本发明属于材料，尤其涉及一种基于荷电纳米片催化层的双极膜及其制备方法和在海水解离中的应用。

背景技术：

1、双极膜(bpm)是一种由选择性传导阳离子的聚合物阳离子交换层(cel)和选择性传导阴离子的阴离子交换层(ael)以及中间催化层组成。当施加反向电压即聚合物阳离子交换层面向阴极、聚合物阴离子交换层面向阳极，中间催化层中水解离为h+和oh-，并扩散到膜层两侧，实现将电能转化为质子化学势差形式的化学能(即ph梯度)。理想的双极膜能够阻止膜两侧的离子跨过整个膜层，实现膜两侧处于不同的环境，因此，bpm今天被用于能源转化、资源回收和食品加工。

2、膜层的不理想，膜两侧的离子通过迁移以及扩散主要通过不带电的团间空间传输到另一侧，导致实际应用中电流效率不高等问题。此外，传统的双极膜，水解离为h+和oh-的过程所需要的跨膜电压较高，引入优异的水解离催化剂调控双极膜中间层能够有效的降低跨膜电压。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于荷电纳米片催化层的双极膜及其制备方法，该方法制备的双极膜中的中间层利用纳米片堆叠形成的亚纳米或纳米级别带电通道，在电场的作用下，实现高效催化水解离的同时，限制同离子的泄露。

2、本发明提供了一种基于荷电纳米片催化层的双极膜的制备方法，包括以下步骤：

3、a)将阳(阴)离子交换膜液涂在光滑的基体上，烘干，得到阳(阴)离子交换膜层；

4、将改性荷电纳米片溶解，得到改性荷电纳米片溶液；

5、b)在所述阳(阴)离子交换膜层上超声喷涂所述改性荷电纳米片溶液，烘干，得到双极膜中间层；

6、c)向所述双极膜中间层喷涂阴(阳)离子交换膜液，烘干，得到双极膜。

7、优选地，所述改性荷电纳米片的表面修饰基团为大小0.1～20nm的离子、离子基团、胶体分子和聚合物分子中的一种或多种；

8、改性荷电纳米片为氮化硼纳米片、mxene纳米片、石墨烯家族纳米片、水滑石纳米片、二硫化物纳米片、沸石纳米片、mof纳米片或tio2纳米片。

9、优选地，所述阳(阴)离子交换膜液的质量浓度为1～10％；

10、所述阳(阴)离子交换膜液中的溶剂为水、甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中一种或多种。

11、优选地，步骤a)中烘干的温度为50～90℃，时间为1～48h；阳(阴)离子交换膜层的厚度为1～40μm；

12、所述步骤c)中烘干的温度为50～90℃，时间为1～48h；阴(阳)离子交换膜层的厚度为1～40μm。

13、优选地，改性荷电纳米片溶解采用的溶剂选自水、甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种；

14、所述改性荷电纳米片和溶剂的质量体积比为(0.1～1)g:(200～1000)ml。

15、优选地，步骤b)中双极膜中间层的厚度为4～400nm；

16、改性荷电纳米片在阳(阴)离子交换膜层上的负载量为1～1000μg/cm-2。

17、优选地，步骤b)中烘干的温度为50～90℃。

18、优选地，所述步骤c)中阴(阳)离子交换膜液的质量浓度为1～10％；

19、阴(阳)离子交换膜液中的溶剂选自水、甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。

20、优选地，所述步骤b)和步骤c)中喷涂采用的高度为1～10cm；

21、溶液喷速设定为0.05～0.8ml min-1，工进速度为5～40mm·s-1。

22、本发明提供了一种基于荷电纳米片催化层的双极膜，由上述技术方案所述制备方法制得。

23、本发明提供了一种基于荷电纳米片催化层的双极膜的制备方法，包括以下步骤：a)将阳(阴)离子交换膜液涂在光滑的基体上，烘干，得到阳(阴)离子交换膜层；将改性荷电纳米片溶解，得到改性荷电纳米片溶液；b)在所述阳(阴)离子交换膜层上超声喷涂所述改性荷电纳米片溶液，烘干，得到双极膜中间层；c)向所述双极膜中间层超声喷涂阴(阳)离子交换膜液，烘干，得到双极膜。本发明采用在双极膜中间层引入限域传质的思想，通过超声喷涂的方式将带正(负)电性纳米片堆叠，并通过修饰带正(负)电纳米片调控间距构建双极膜中间层，制备出具有低同离子泄露和优异的水解离性能的双极膜。双极膜中间层改性荷电纳米片堆叠形成的亚纳米或纳米级别带电通道，会限制同离子泄露。实验结果表明：调控带电纳米片间距构建中间层双极膜在100ma cm-2下，水解离电压仅为0.77v，第一极限电流密度低至1.5ma cm-2。

技术特征：

1.一种基于荷电纳米片催化层的双极膜的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述修饰带正(负)电性纳米片的表面修饰基团为大小0.1～20nm的离子、离子基团、胶体分子和聚合物分子中的一种或多种；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阳(阴)离子交换膜液的质量浓度为1～10％；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中烘干的温度为50～90℃，时间为1～48h；阳(阴)离子交换膜层的厚度为1～40μm；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，改性荷电纳米片溶解采用的溶剂选自水、甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中双极膜中间层的厚度为4～400nm；

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中阴(阳)离子交换膜液的质量浓度为1～10％；

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)和步骤c)中喷涂采用的高度为1～10cm；

9.一种基于荷电纳米片催化层的双极膜，由权利要求1～8任一项所述制备方法制得。

10.一种权利要求1～8任一项所述制备方法制备的双极膜在海水解离中的应用。

技术总结
本发明提供一种基于荷电纳米片催化层的双极膜的制备方法及其制备方法和在海水解离中的应用，包括：A)将阳(阴)离子交换膜液涂在光滑的基体上，烘干，得到阳(阴)离子交换膜层；将改性荷电纳米片溶解，得到改性荷电纳米片溶液；B)在阳(阴)离子交换膜层上超声喷涂所述改性荷电纳米片溶液，烘干，得到双极膜中间层；C)向双极膜中间层超声喷涂阴(阳)离子交换膜液，烘干，得到双极膜。本发明采用在双极膜中间层引入限域传质的思想，通过超声喷涂的方式将荷电纳米片堆叠，并通过改性荷电纳米片调控间距构建双极膜中间层，具有亚纳米或纳米级别带电通道，具有低同离子泄露和优异的水解离性能。

技术研发人员：吴亮,徐铜文,李小江,罗芬
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/18