一种超薄b取向ZSM-5沸石分子筛膜、制备方法以及在钒氧化液流电池中的应用技术

本发明专利技术涉及一种超薄b取向ZSM

【技术实现步骤摘要】
一种超薄b取向ZSM
‑
5沸石分子筛膜、制备方法以及在钒氧化液流电池中的应用


[0001]本专利技术涉及一种超薄b取向ZSM
‑
5沸石分子筛膜、制备方法以及在钒氧化液流电池中的应用，属于液流电池


技术介绍

[0002]固定式电化学储能(EES)因其能够平衡间歇性可再生能源提供的不稳定电力而吸引了大量的关注。钒氧化液流电池(VFBs)由于其容量可调、环境友好、安全性高和效率优异，是最有前途的大规模储能技术之一。膜是VFBs中最关键的部件之一，负责分离阴极和阳极，同时允许质子在膜内运输，形成一个完整的回路。传统的聚合物膜由于其出色的稳定性和高质子传导性，被广泛地用作VFB的质子传导膜。然而，由于其严重的溶胀性导致的较差的离子选择性大大限制了其在VFB中的进一步应用。
[0003]近年来，具有分子筛分能力的多孔膜在VFBs中显示出巨大的应用潜力。特别是分子筛材料，如沸石、金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)，与聚合物多孔膜相比，具有更窄的孔径分布和更有序的互连通道，有望实现高离子传导率和精确分离。然而，它们在强酸和强氧化等苛刻条件下的不稳定性导致使用受限。MFI型沸石是一种具有三维多孔结构的硅铝酸盐或硅酸盐材料，已被证明具有极其出色的抗酸和抗氧化性，其沿a轴是0.51
×
0.55nm的正弦孔道，沿b轴是0.53
×
0.56nm的直孔道，可以完美地阻挡电解质中的钒离子(＞0.6纳米)。在以前的研究中，发现ZSM
‑
5沸石(MFI沸石框架中的部分Si
4+
被Al
3+
取代)具有更好的亲水性和质子传输能力，并在VFB中显示出良好的电池性能[1]。然而，传统的三维(3D)沸石膜具有较厚的膜层和随机的孔道取向，这限制了质子渗透的速度[2]。
[0004]非专利文献1：Z.Xu,I.Michos,Z.S.Cao,W.H.Jing,X.H.Gu,K.Hinkle,S.Murad,J.H.Dong,Proton
‑
Selective Ion Transport in ZSM
‑
5Zeolite Membrane,J Phys Chem C,120(2016)26386
‑
26392.
[0005]非专利文献2：P.Kumar,D.W.Kim,N.Rangnekar,H.Xu,E.O.Fetisov,S.Ghosh,H.Zhang,Q.Xiao,M.Shete,J.I.Siepmann,T.Dumitrica,B.McCool,M.Tsapatsis,K.A.Mkhoyan,One
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dimensional intergrowths in two
‑
dimensional zeolite nanosheets and their effect on ultra
‑
selective transport,Nat Mater,19(2020)443.

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是应用于全钒氧化液流电池中具有分子筛分性能的隔膜存在质子渗透性低以及电池性能差的问题。本专利技术采用了由沸石纳米片制成的具有低缺陷密度的超薄b取向的ZSM
‑
5沸石分离膜实现了增强的离子选择性和离子导电性，从而提高了电池性能。
[0007]一种超薄b取向ZSM
‑
5沸石分子筛膜，包括支撑层以及选择分离层，所述的选择分
离层是由ZSM
‑
5纳米片所构成，ZSM
‑
5纳米片相互间都具有[0k0]面外取向，所述的ZSM
‑
5纳米片的孔径0.51
‑
0.56nm。
[0008]选择分离层具有100
‑
500nm厚度。
[0009]所述的支撑层是多孔陶瓷材料。
[0010]上述的超薄b取向ZSM
‑
5沸石分子筛膜的制备方法，包括如下步骤：
[0011]步骤1，获得ZSM
‑
5纳米片的悬浮分散液；
[0012]步骤2，将支撑层与悬浮分散液进行接触，使表面具有ZSM
‑
5纳米片作为晶种；
[0013]步骤3，将支撑层置于第一合成液中进行水热合成，洗涤后煅烧，得到分子筛膜。
[0014]所述的步骤1中，ZSM
‑
5纳米片通过如下方法制备得到：
[0015]步骤a，四乙氧基硅烷、双
‑
1,5(三丙基铵)五甲基二碘化物、KOH、水按照重量比80：3
‑
5：10
‑
30：5000
‑
15000进行混合作为第二合成液，水解后作为前驱体溶胶；
[0016]步骤b，在前驱体溶胶中加入晶种后，水热合成；
[0017]步骤c，再加入NaAlO2溶液，调节Si/Al摩尔比为20
‑
30后，继续水热合成，将产物洗涤离心后，得到ZSM
‑
5纳米片。
[0018]所述的步骤b中，水热合成条件是370
‑
450K下2
‑
5天；所述的步骤c中，水热合成条件是370
‑
450K下0.5
‑
1天。
[0019]所述的步骤1中，悬浮分散液的浓度0.005
‑
0.5wt％。
[0020]所述的步骤2中，接触时间10
‑
100s，并且在接触后进行干燥。
[0021]所述的第一合成液的制备方法是：先按照硅源：模板剂：水的重量比20：1
‑
5：10000
‑
15000进行水解反应和预结晶，生成溶胶；水解时间5
‑
20h；预结晶条件是350
‑
500K下0.5
‑
5h。
[0022]所述的步骤3中，水热处理温度是350
‑
420K，煅烧条件是650
‑
850K下5
‑
10h。
[0023]上述的超薄b取向ZSM
‑
5沸石分子筛膜在钒氧化液流电池中的应用。
[0024]有益效果
[0025]钒液流电池(VFB)由于其高模块化、长循环寿命和环境友好性，被广泛认为是最可靠的固定式电化学储能(EES)技术之一。具有高离子选择性和导电性的膜对于开发高性能的VFB至关重要。
[0026]二维沸石纳米片是制备b向超薄沸石膜厚度仅为几纳米的纳米片只允许水平堆积。在这项工作中，成功地设计了一种超薄的b取向ZSM
‑
5沸石膜，[0k0]取向的直孔通道可以有效地缩短质子传输距离。由高长宽比的纳米片组成的沸石层具有较低的缺陷密度。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超薄b取向ZSM
‑
5沸石分子筛膜，其特征在于，包括支撑层以及选择分离层，所述的选择分离层是由ZSM
‑
5纳米片所构成，ZSM
‑
5纳米片都具有[0k0]面外取向，所述的ZSM
‑
5纳米片的孔径0.51
‑
0.56nm。2.根据权利要求1所述的超薄b取向ZSM
‑
5沸石分子筛膜，其特征在于，选择分离层具有100
‑
500nm厚度；所述的支撑层是多孔陶瓷材料。3.根据权利要求1所述的超薄b取向ZSM
‑
5沸石分子筛膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获得ZSM
‑
5纳米片的悬浮分散液；步骤2，将支撑层与悬浮分散液进行接触，使表面具有ZSM
‑
5纳米片作为晶种；步骤3，将支撑层置于第一合成液中进行水热合成，洗涤后煅烧，得到分子筛膜。4.根据权利要求1所述的超薄b取向ZSM
‑
5沸石分子筛膜的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，ZSM
‑
5纳米片通过如下方法制备得到：步骤a，四乙氧基硅烷、双
‑
1,5(三丙基铵)五甲基二碘化物、KOH、水按照重量比80：3
‑
5：10
‑
30：5000
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15000进行混合作为第二合成液，水解后作为前驱体溶胶；步骤b，在前驱体溶胶中加入晶种后，水热合成；步骤c，再加入NaAlO2溶液，调节Si/Al摩尔比为20
‑
30后，继续水热合成，将产物洗涤离心后，得到ZSM
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：徐至，黄康，张德柱，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：