一种高选择性离子交换膜及制备方法和应用技术

本申请公开了一种高选择性离子交换膜及制备方法和应用，其中高选择性离子交换膜的制备方法，包括：将纤维素纳米晶

【技术实现步骤摘要】
一种高选择性离子交换膜及制备方法和应用


[0001]本申请涉及液流电池
，尤其涉及一种高选择性离子交换膜及制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]离子交换膜作为液流电池的关键材料之一，在电池中不仅起到隔绝正负极电解液的作用，还作为传递质子的媒介，离子交换膜性能的好坏将直接影响电池性能和使用寿命
。
在电池长期运行过程中，离子交换膜发生严重的电解液交叉污染，将导致电池的效率大大降低，从而使电池的性能衰减
。
由于液流电池电解液具有强酸性和强氧化性，因此，开发研究一种适用于液流电池强酸
、
强氧化性电解液条件，且具有优异的隔绝电解液性能的离子交换膜迫在眉睫
。
目前，使用最广泛的液流电池离子交换膜是杜邦公司生产的
Nafion
系列
(DuPont)
膜，该膜具有优异的物理化学稳定性以及高的质子电导率
。
但是，在电池长期运行过程中，
Nafion
膜易出现严重的离子和水渗透，导致电池效率降低
、
容量损失严重
。
因此，开发高选择性的离子交换膜是液流电池领域的研究焦点之一
。
[0003]许多关于提高离子交换膜选择性的研究都取得了不错的成果，这些研究主要集中于将有机
、
无机颗粒，或者是有机
‑
无机颗粒结合掺杂到离子交换膜中，以制备有机
/
无机复合膜来提高膜的离子选择性和电池性能
。
然而，在实际应用中，无机纳米材料会产生团聚现象，尤其是作为聚合物填料使用时，这种团聚使其难以发挥纳米材料的优异特性，使膜材料达不到理想的效果
。
此外，离子交换膜的离子渗透率与质子传导率相互制约，低离子渗透率往往需要构建窄离子通道，以阻碍活性物质的交叉渗透，然而这使质子的传递阻力增加，造成较高的电阻
。
因此，平衡离子交换膜的质子传导率以及离子渗透率，实现高离子选择性具有一定的挑战
。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请的一个目的在于提供一种高选择性离子交换膜的制备方法，采用纤维素纳米晶作为固体乳化剂，促进无机纳米材料在水溶液中均匀稳定分散；此外，基于无机纳米材料与纤维素纳米晶之间的共组装，实现无机纳米材料的功能集成，同时调控离子交换膜的质子传导率以及离子渗透率，提高离子交换膜的离子选择性
。
[0005]本申请的另一个目的在于提供一种高选择性离子交换膜
。
[0006]本申请的又一个目的在于提供一种液流电池
。
[0007]为达到上述目的，本申请的第一方面实施例提出了一种高选择性离子交换膜的制备方法，包括：
[0008]将纤维素纳米晶
、
无机纳米材料和第一分散溶剂进行第一混匀，获得无机纳米材料分散液；
[0009]将离子聚合物与第二分散溶剂进行第二混匀，获得离子聚合物分散液；
[0010]将至少部分所述无机纳米材料分散液与所述离子聚合物分散液进行第三混匀，获
得树脂溶液；
[0011]将所述树脂溶液通过流延干燥成型，即得所述高选择性离子交换膜
。
[0012]在一些实施例中，所述纤维素纳米晶包括含有磺酸基的纤维素纳米晶
、
含有羧基的纤维素纳米晶中的至少一种
。
[0013]在一些实施例中，所述纤维素纳米晶的直径为3‑
50nm
，长度为
50
‑
1000nm。
[0014]在一些实施例中，所述纤维素纳米晶
、
无机纳米材料和所述离子聚合物的质量比为
(0.1
‑
5)
：
(0.01
‑
5)
：
(10
‑
30)。
[0015]在一些实施例中，所述树脂溶液中，无机纳米材料的质量为所述离子聚合物的质量的
0.001
‑
50
％，所述纤维素纳米晶的质量为所述离子聚合物的质量的
0.01
‑
50
％
。
[0016]在一些实施例中，所述无机纳米材料为具有疏水性的无机纳米材料
。
[0017]在一些实施例中，所述无机纳米材料包括炭黑
、
碳纳米管
、
碳纤维
、
石墨烯中的至少一种
。
[0018]在一些实施例中，所述无机纳米材料的平均粒径为2‑
20nm。
[0019]在一些实施例中，所述离子聚合物包括全氟磺酸树脂
、
磺化聚醚醚酮
、
磺化聚醚砜中的至少一种
。
[0020]在一些实施例中，所述将至少部分所述无机纳米材料分散液与所述离子聚合物分散液进行第三混匀，包括：将至少部分所述无机纳米材料分散液逐滴加入所述离子聚合物分散液，随后进行所述第三混匀
。
[0021]在一些实施例中，所述全氟磺酸树脂的质子交换当量为
700
‑
1200g/mol
，分子量为
50000
‑
1000000g/mol。
[0022]在一些实施例中，所述全氟磺酸树脂包括氢型全氟磺酸树脂
、
钠型全氟磺酸树脂中的至少一种
。
[0023]在一些实施例中，所述第一混匀
、
第二混匀
、
所述第三混匀的方式均包括超声分散
、
搅拌
、
球磨中的至少一种
。
[0024]在一些实施例中，所述第一分散溶剂包括水
、
甲醇
、
乙醇
、
正丙醇
、
二甲基甲酰胺
、
二甲基亚砜中的至少一种
。
[0025]在一些实施例中，所述第二分散溶剂包括水
、
甲醇
、
乙醇
、
异丙醇
、
正丙醇中的至少一种
。
[0026]在一些实施例中，所述干燥的温度为
60
‑
200℃。
[0027]在一些实施例中，所述干燥的时间为5‑
40min。
[0028]在一些实施例中，所述将纤维素纳米晶
、
无机纳米材料和第一分散溶剂进行第一混匀，包括：
[0029]将所述纤维素纳米晶加入所述第一分散溶剂，随后进行第一搅拌，之后加入所述无机纳米材料，进行第二搅拌，最后进行第一超声分散，得所述无机纳米材料分散液
。
[0030]在一些实施例中，所述第二混匀的方式为搅拌
。
[0031]在一些实施例中，所述第三混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高选择性离子交换膜的制备方法，其特征在于，包括：将纤维素纳米晶
、
无机纳米材料和第一分散溶剂进行第一混匀，获得无机纳米材料分散液；将离子聚合物与第二分散溶剂进行第二混匀，获得离子聚合物分散液；将至少部分所述无机纳米材料分散液与所述离子聚合物分散液进行第三混匀，获得树脂溶液；将所述树脂溶液通过流延干燥成型，即得所述高选择性离子交换膜
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素纳米晶包括含有磺酸基的纤维素纳米晶
、
含有羧基的纤维素纳米晶中的至少一种
。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素纳米晶的直径为3‑
50nm
，长度为
50
‑
1000nm
；和
/
或，所述纤维素纳米晶
、
无机纳米材料和所述离子聚合物的质量比为
(0.1
‑
5)
：
(0.01
‑
5)
：
(10
‑
30)
；和
/
或，所述树脂溶液中，无机纳米材料的质量为所述离子聚合物的质量的
0.001
‑
50
％，所述纤维素纳米晶的质量为所述离子聚合物的质量的
0.01
‑
50
％；和
/
或，所述无机纳米材料为具有疏水性的无机纳米材料
。4.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机纳米材料包括炭黑
、
碳纳米管
、
碳纤维
、
石墨烯中的至少一种；和
/
或，所述无机纳米材料的平均粒径为2‑
20nm
；和
/
或，所述离子聚合物包括全氟磺酸树脂
、
磺化聚醚醚酮
、
磺化聚醚砜中的至少一种；和
/
或，所述将至少部分所述无机纳米材料分散液与所述离子聚合物分散液进行第三混匀，包括：将至少部分所述无机纳米材料分散液逐滴加入所述离子聚合物分散液，随后进行所述第三混匀
。5.
根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述全氟磺酸树脂的质子交换当量为
700
‑
1200g/mol
，分子量为
50000
‑
1000000g/mol
；和
/
或，所述全氟磺酸树脂包括氢型全氟磺酸树脂
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晶晶，夏丰杰，刘昊，张素眉，戴双雄，李道喜，周明正，唐浩林，
申请(专利权)人：武汉绿动氢能能源技术有限公司，
类型：发明
国别省市：