《離子交換膜技術(shù)》2700字

其膜結(jié)構(gòu)中的固定電荷屬性，離子交換膜分為陽離子交換膜(cationexchangemembranes),陰離子交換膜(anionexchangemembranes)和兩性離子交換膜過陽離子排斥陰離子通過.而陰離子交換膜含有固定的正電荷，可選擇透過陰離子排斥陽離子通過.基于這些原理，人們把離子交換膜廣泛應(yīng)用于電滲析等工業(yè)高分子材料的離子交換膜，因其優(yōu)異的性能已在食品、化工、紡織、冶金、國離子交換膜的研制開始于1960年前后，主要研制用于苦咸水淡化方面的非均相膜。隨后于70年代初研制出了多種性能較為優(yōu)良的離子交換膜，但實際投入1890年進行了第一個電膜過程；1911年提出Donnon電勢推動其發(fā)展；1925年首次制備離子交換膜；1932年，Bacon首次制備兩性離子膜和鑲嵌膜；1940年電膜首次應(yīng)用于工業(yè)；1950年，商業(yè)離子交換膜和電滲析器出現(xiàn)；1962年電1978年Nafion膜，氯堿電解膜和雙極膜出現(xiàn)；隨后新型離子膜過程如ED的集-SO?,-CO0-,-PO3-,-PO?H-,-C?H?O-等例依附在膜骨架上。這些基團允許陽離子通過而排斥陰離子。該膜中的質(zhì)子傳輸受兩種機制控制，即Grotthus機制和車輛機制。在Grotthus機制中，質(zhì)子傳輸通過自由水分子之間氫鍵的形成和分解。在車輛機制的情況下，水合質(zhì)子由于產(chǎn)生的電化學電位差而穿過膜。兩種機制的圖2.Grotthus機制原理示意圖圖3.vechicle機制原理示意圖到目前為止，商業(yè)化運用多的離子交換膜是美國杜邦公司的Nafion膜，全氟乙烯醚共聚單體與四氟乙烯共聚制成Nafion膜材料。Nafion材料具有疏水骨架和親水側(cè)鏈這種結(jié)構(gòu)賦予Nafion膜材料獨一無二的微觀結(jié)構(gòu)以及特殊的性能。疏水骨架提供了化學穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，親水側(cè)鏈則與提高其離子電導率和離子選擇性。Nafion作為一種全氟磺酸膜，Nafion材料的電化學性能和化學穩(wěn)定性較好，能夠在全釩液流電池強氧化性的環(huán)境下穩(wěn)定運作，具有很高的離子電導率，可以達到較高的電壓效率，所以成為了全釩液流電池最廣泛使用的離子交換膜。Nafion膜是一種陽離子膜，陽離子膜具有良好而化學穩(wěn)定性，擁有較高的離子電導率，但是也存在很多問題：釩離子滲透嚴重，電池自放電及水遷移嚴重，影響電池效率，膜材料貴等等。膜的性能為了減少釩離子的交叉，Kim等人通過逐層工藝(LBL)用聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)和纖維素納米晶體(CNC)對Nafion212進行了改性。逐層方法是制造具有受控結(jié)構(gòu)和成分的多層薄膜的有效方法。這種LBL方法釋的。67在步驟Ⅱ中，將預(yù)處理的膜浸入PDDA溶液中5分鐘。然后用去離子水沖洗膜以完全去除剩余的PDDA顆粒。第三步，將膜浸入0.01MCNC溶液中5min。在第二個沖洗步驟之后，重復執(zhí)行該過程以實現(xiàn)多層組件。獲得的Nafion-[PDDA/CNC]n(n=20,最佳層數(shù))膜可以比原始Nafion膜更有效和更而PDDA充當Nafion和CNC之間的橋梁，并通過靜電排斥抑制釩離子的交叉。另一種產(chǎn)生比純Nafion更好的VRFB電池性能的方法是加入添加劑，例如釩滲透性的Nafion離聚物(PFSA)和生物纖維素(BC)。24Nafion也可以通過在氨基官能化Nafion212上加入一層交聯(lián)氧化石墨烯(LCGO)來改性獲得CLGO/Nafion212膜。72這種復合膜對釩離子的滲透性比純Nafion212膜使CLGO/Nafion212膜具有有趣的特性。這導致VRFB中的操作時間更長。與原始Nafion212膜相比，使用CLGO/Nafion212組裝的VRFB電池也表現(xiàn)出更好的電化學性能，在20至100mA.cm-2的電流范圍內(nèi)具有顯著更高的CE和僅輕微的VE降低。在長達150小時內(nèi)沒有觀察到開路電壓(OCV)的變化。在陰離子交換膜中，帶正電的基團通常有-NH3+,-NRH2+,-NR?H+,-NR3+和發(fā)生。膜內(nèi)的正電荷通過Donnan效應(yīng)降低滲透率。盡管陰離子排斥陽離子，但質(zhì)子仍然可以通過膜擴散，因為酸可以被吸收到陰離子交換膜的親水納米通道中，從而允許質(zhì)子和陰離子同時傳輸。陰離子膜具有釩離子滲透率低，成本低的優(yōu)點，但是也存在質(zhì)子傳導率低，化學穩(wěn)定性差的問題2]。1.3兩性膜兩性離子交換膜具有陽離子交換基團和陰離子交換基團，具有傳遞陰陽離子的能力，含有酸堿結(jié)構(gòu)的兩性離子交換膜具有高導電性和低溶脹比。具有胺基(帶正電荷的堿性基團)的兩性膜對釩離子表現(xiàn)出道南排斥效應(yīng)，這一點會提高全釩液流電池電池的性能，降低釩離子的滲透率。兩性膜高度功能化(酸性和堿性基團與聚合物主鏈的連接),具有優(yōu)良的吸水性、溶脹性和良好的化學穩(wěn)定性。然而高度官能化通常會導致膜穩(wěn)定性下降，例如尺寸不穩(wěn)定性和在水中的溶解的問題。為了避免這些問題，陰陽離子基團混合被認為是開發(fā)兩性膜的合適選擇。陰陽離子基團之間的靜電相互作用有助于通過形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化水分子的方向，(二甲基氨基甲基)酚(TAP)接枝的磺化聚醚酮(SPK)的新的合成方式，用于制備兩性離子交換膜。通過使用不同數(shù)量的碳鏈(C6和C10)的二溴烷烴實現(xiàn)了交聯(lián)，并對全釩液流電池電池(VRFB)的不同兩性離子交換膜進行了評估。這些兩性離子交換膜的機構(gòu)包含-SO3H基團以保持導電性，和-NH3+基團通過酸堿相互作用降低釩滲透性并改善電荷時間，通過不同的光譜技術(shù)(FTIR、H-1核磁共振、SEM和AFM)解釋