本项创新技术介绍了一种新型复合碱性离子膜,该膜由经过季胺化处理的阴离子交换膜型聚合物和离子溶剂化聚合物纳米纤维膜复合而成。这种复合膜通过阴离子交换过程获得,其中聚合物分布于纳米纤维膜的表面及孔隙,并以共价键形式结合。制备过程包括将聚合物溶液涂覆并填充纳米纤维膜孔隙,随后进行交联、季胺化和阴离子交换反应。该膜适用于碱性电解水制氢、碱性燃料电池、二氧化碳转化及电化学合成氨等场景,具备高离子电导率和机械强度,制备方法简便,应用范围广泛。
背景技术
当今世界,能源短缺与环境污染问题日益突出,迫使人们不得不加快探索新能源的步伐,节能且具有成本效益的水电解对于大规模实施可再生能源至关重要。质子交换膜水电解槽因使用价格高昂的全氟磺酸膜和贵金属催化剂而限制了其广泛应用。碱性环境允许水电解槽可完全不使用贵金属催化剂,从而促进了其在近些年的快速发展。作为碱性水电解槽的关键材料,碱性膜目前主要分为三类:传统的多孔隔膜、阴离子交换膜和离子溶剂化膜。传统多孔隔膜通常由稳定的惰性聚合物及亲水性无机填料(增强机械性能)组成,并具有多孔结构,其是通过孔结构中储存的高浓度碱液进行氢氧根离子传输。然而,基于多孔隔膜的传统碱性水电解槽由于其较厚的多孔隔膜使得电解槽内部电阻较大,导致电压效率较差。同时,生成的氢气和氧气气体也易于通过多孔隔膜进行双向渗透,使得产氢速率很低,且具有安全隐患。因此,致密的阴离子交换膜和离子溶剂化膜得到了越来越多的关注。阴离子交换膜通常为具有固定阳离子侧基的聚合物,氢氧根离子与阳离子侧基进行配位,从而在水中解离、跳跃传输。然而阴离子交换膜仍面临离子电导率较低、机械性能不足的限制。
目前,提高阴离子交换膜离子电导率的常用手段是提高其离子交换容量,然而过高的离子交换容量往往带来过高的吸水率和溶胀问题,会损伤膜的机械性能。为了提高机械性能,研究者将支撑骨架引入至阴离子交换膜中。例如中国专利CN113249980A将聚乙烯基苄基氯、二甲氨基-N-乙基-N,N-二甲基己-1-胺和分散剂混合后涂覆于聚四氟乙烯基膜上进行热压成膜,再通过离子交换得到纤维增强的阴离子交换膜。然而由于该专利使用了不能传导氢氧根的惰性增强体聚四氟乙烯,导致其离子电导率降低。因此,引入具有离子传输功能的增强体对于解决阴离子交换膜的离子电导率和机械性能制衡问题具有重要意义。此外,通过设计阴离子交换膜和具有离子传输功能增强体间的协同效应来优化进一步提升其离子电导率也至关重要。
因此,研究一种复合碱性离子膜及其制备方法和应用,以解决现有技术中存在的问题,具有十分重要的意义。
实现思路