用于阳离子交换膜的聚合物纤维筛网表面改性制造技术

本发明专利技术公开了一种磺化聚合物纤维筛网及其制造方法。例如，组合物可包含多根磺化聚合物纤维。该磺化聚合物纤维可包括与包括含硫基团的酸浴接触的聚醚醚酮(PEEK)纤维或聚芳醚酮(PAEK)纤维。酮(PAEK)纤维。酮(PAEK)纤维。

【技术实现步骤摘要】
用于阳离子交换膜的聚合物纤维筛网表面改性
[0001]本公开整体涉及膜电极组件，并且更具体地涉及用于在各种转换系统中使用的气体扩散电极的聚合物纤维筛网。

技术介绍

[0002]如CO2的温室气体(GHG)的排放引起地球臭氧层的消耗和全球温度的升高，导致对人类健康、农业和水资源的不利影响。为了减轻全球气候变化，全世界的兴趣已集中于CO2捕获和利用(CCU)领域，其中将CO2电催化转化成增值化学品和合成燃料是有吸引力的方法之一。使用合适的电催化剂和反应条件，包括超电势、反应温度和电解质等，CO2可电化学转化为各种产物，例如一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、甲酸(HCOOH)、甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)等。
[0003]在当前阶段，将CO2电化学转化为CO是最有前景的反应之一，这是由于其高技术和经济可行性。在该反应中，合成气(CO和H2)可以以能量有效的方式产生，然后用作原料以通过费
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托合成方法生产合成烃。

技术实现思路

[0004]根据本文所述的方面，提供了一种磺化聚合物纤维筛网和用于制造所述磺化聚合物纤维筛网的方法。该实施方案的一个公开特征是一种包含多根磺化聚合物纤维的组合物。该实施方案的另一个公开特征是一种包含筛网的制品，所述筛网包含多根磺化聚合物纤维。
[0005]该实施方案的另一个公开特征是一种制造磺化聚合物纤维筛网的方法。该方法包括使多根未磺化聚合物纤维与包含含硫基团的酸接触，以在磺化反应中磺化多根未磺化聚合物纤维，并停止磺化反应。
附图说明
[0006]通过结合附图考虑以下具体实施方式可以容易地理解本公开的教学内容，在附图中：
[0007]图1示出了本公开的具有SPEEK筛网的示例性阳离子交换组件的分解框图；
[0008]图2示出了本公开的PEEK至SPEEK的磺化的示例性化学结构式；
[0009]图3示出了本公开的将PEEK磺化为SPEEK的示例性工艺流程；
[0010]图4示出本公开的PEEK筛网的纤维的示例以及直径尺寸的图示；
[0011]图5示出了示例性PEEK筛网和限定平均孔隙率的图示；
[0012]图6示出了本公开的具有具有第一直径的纤维和第一尺寸开口的示例性PEEK筛网；
[0013]图7示出了本公开的具有具有第二直径的纤维和第一尺寸开口的示例性PEEK筛网；
[0014]图8示出了水滴与本公开的PEEK筛网和SPEEK筛网的示例性接触角；
[0015]图9A
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9B示出了在本公开的磺化之前和之后的各种PEEK筛网的示例性SEM图像；并且
[0016]图10示出了用于制造本公开的磺化聚合物筛网的方法的示例性流程图。
[0017]为了便于理解，在可能的情况下已经使用了相同的附图标号来指定附图共有的相同元件。
具体实施方式
[0018]本公开广泛地公开了一种用于阳离子交换膜的磺化聚(醚醚酮)筛网表面及其制备方法。阳离子交换膜可用于将CO2电催化转化成增值化学品和合成燃料。然而，阳离子交换膜也可用于其它应用，例如燃料电池、污水处理、海水脱盐、电渗析、化学催化、气体分离等。
[0019]目前的阳离子交换膜可由聚(醚醚酮)(PEEK)制造。PEEK是高性能工程热塑性塑料，已知其具有极好的机械性质、良好的耐溶剂性和高热氧化稳定性。PEEK本身是高度疏水的，并且导致水滴具有非常大的接触角。结果，PEEK筛网对于使水通过整个用于阳离子交换膜的筛网可能是低效的。
[0020]一种解决方案是使用称为Nafion的离聚物材料。然而，Nafion被认为是对环境不友好的高成本材料。
[0021]本公开提供了磺化PEEK(SPEEK)筛网，其性能与Nafion一样好，但是比Nafion生产便宜得多并且更加环境友好。SPEEK筛网可通过在硫酸浴中改性PEEK筛网来制造。本公开的SPEEK筛网由于来自芳环的疏水主链和由于沿着其主链分布的磺酸基团的亲水区域而在其域内提供了良好限定的纳米相分离。SPEEK筛网的亲水区域可以极大地减小水滴与SPEEK筛网的接触角，从而允许水跨SPEEK表面扩散。
[0022]通过PEEK材料的酸处理形成的SPEEK筛网使得聚合物链是离子型的并且使得阳离子能够通过磺酸根基团(
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SO3‑
)传输。SPEEK筛网可用作能够将质子从燃料电池的阳极转移到阴极的膜，以及用作电极之间的电子通道和其它交叉泄漏(例如气体)的屏障。
[0023]SPEEK筛网可通过将酸浴应用于PEEK筛网而原位形成。可将PEEK筛网放入酸浴中数秒以将PEEK磺化为SPEEK筛网。SPEEK筛网的离子交换容量可基于用于制造PEEK筛网的PEEK纤维的平均直径、通过PEEK筛网中的开口面积或每个开口的平均面积的百分比测量的PEEK筛网的孔隙率、和/或酸浴中的时间来调节。因此，本公开提供了一种将PEEK筛网改性为具有用于阳离子交换膜的亲水性的低成本解决方案。
[0024]图1示出包括本公开的SPEEK滤网的示例阳离子交换组件100。阳离子交换组件100可以是用于将化合物转化成不同的期望化合物的流动电池电催化转化器的一部分。
[0025]可由阳离子交换组件100进行的一个示例性转化是二氧化碳(CO2)转化为一氧化碳(CO)和氢气(H2)。然而，应当注意的是，阳离子交换组件100可用于在流动电池电催化转化器的背景下的其它类型的化合物的电催化转化。另外，阳离子交换组件100可用于其它应用，诸如燃料电池、污水处理应用、海水脱盐应用、电渗析、化学催化、气体分离等。
[0026]在一个实施方案中，阳离子交换组件100包括第一端板102、阴极流场104、阴极气体扩散电极(GDE)106、第一垫圈108、阴离子膜110、第二垫圈112、中心流动隔室114、第三垫圈116、阳离子膜118、第四垫圈120、阳极GDE 122、阳极流场124和第二端板126。在一个实施
方案中，阳极电解液可通过阳极流场124进料。阳极电解液可流过阳极GDE 122、阳离子交换膜118并流向中心流动隔室114。在一个实施方案中，SPEEK筛网可用于制造阳离子膜118。
[0027]在一个实施方案中，阴极电解液可从阴极流场104通过阴极GDE 106并通过阴离子膜110向中心流动隔室114流动。转化的化合物和副产物可以通过中心流动隔室114被送出。
[0028]在阳离子交换组件100是电催化转化的情况下，中心流动隔室114可以包括参考电压。例如，可经由参考电压将电池电势施加到阳离子交换组件100以进行电催化转化。
[0029]在一个实施方案中，阳离子膜118可以使得能够传输阳离子。阳离子膜118可用作阻挡阳离子的屏障，同时允许阴离子从阳极流场124向中心流动隔室114通过。
[0030]在一个实施方案中，本公开的SPEEK筛网可以使得阳离子能够通过SPEEK筛网中的磺酸根基团(...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组合物，所述组合物包含：多根磺化聚合物纤维。2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述多根磺化聚合物纤维包括磺化聚醚醚酮(PEEK)纤维。3.根据权利要求2所述的组合物，其中所述PEEK纤维具有介于0.0015英寸与0.0050英寸之间的平均直径。4.根据权利要求2所述的组合物，其中所述PEEK纤维按筛网布置。5.根据权利要求4所述的组合物，其中所述筛网包括介于20％至60％之间的开口面积。6.根据权利要求5所述的组合物，其中所述筛网包括大约22％的开口面积。7.根据权利要求1所述的组合物，其中所述多根磺化聚合物纤维包括磺化聚芳醚酮(PAEK)纤维。8.一种制品，所述制品包括：磺化聚合物选择性阻隔材料。9.根据权利要求8所述的制品，其中所述磺化聚合物选择性阻隔材料包括磺化聚醚醚酮(PEEK)纤维。10.根据权利要求8所述的制品，其中所述磺化聚合物选择性阻隔材料包括磺化聚芳醚酮(PAEK)纤维。11.根据权利要求8所述的制品，其中所述磺化聚合物选择性阻隔材料具有介于约0.10至约0.20毫当量/克(meq/g)之间的离子交换容量...

【专利技术属性】
技术研发人员：V，
申请(专利权)人：施乐公司，
类型：发明
国别省市：