【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氢气分离膜制备，具体涉及一种具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜及其制备方法与应用。
技术介绍
1、目前，氢能作为一种清洁、高效的能源，具有来源丰富、绿色低碳、应用广泛的特点，在推动能源转型中扮演着越来越重要的角色。由于氢气在自然界中无法直接开采，需要通过其他能源转化和加工制备而成。
2、目前，化石能源蒸汽重整是生产氢气的主要途径。然而，该方法生产的氢气含有大量的副产物，因此氢气纯化技术是氢能产业链中的重要环节。与低温分离法和选择吸附法等分离技术相比，膜分离法具有操作灵活、能源效率高、环境友好、运行成本低等优点。在众多氢气分离膜中，聚合物膜因其价格低廉、易于制备和调控等优点而被广泛关注，但是其存在渗透性和选择性之间的权衡和稳定性问题。
3、公开号为cn118374045b的专利公开了一种聚合物双相致密膜用于h2分离，该有机膜克服了传统有机膜选择性差的劣势，在100-300℃可以稳定分离h2。但是，该膜的渗透通量较低，这可能与膜的厚度太大（约为60微米），导致渗透扩散阻力过大有关。基于此，开发一种可以解决对h2渗透性和选择性之间的权衡和稳定性问题的聚合物膜是十分有意义的。
技术实现思路
1、本专利技术针对上述问题，提供了一种具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜及其制备方法与应用。本专利技术所制备的氢气分离膜致密层厚度在1-5μm，在较宽的温度范围内（室温至300℃）且无需湿度控制下，对h2具有100%选择性。解决了聚合物膜对h2渗透性和选择性
2、为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
3、本专利技术提供了一种具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜的制备方法，具体包含以下步骤：
4、s1：使用n,n-二甲基乙酰胺（dmac）将聚苯并咪唑（pbi）粉末升温过夜搅拌溶解，得到聚苯并咪唑均质溶液；
5、s2：将有机溶剂n,n-二甲基乙酰胺（dmac）、非溶剂致孔剂邻苯二甲酸二丁酯（dbp）与聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸（pedot:pss）粉末分散均匀，再与步骤s1的聚苯并咪唑均质溶液搅拌分散合成铸膜液；
6、非溶剂邻苯二甲酸二丁酯的引入会使聚苯并咪唑均质溶液的热力学平衡受到破坏，从而使均相的聚苯并咪唑溶液发生相分离，形成聚合物富集相（非溶剂贫乏相）和非溶剂富集相（聚合物贫乏相）。
7、s3：经过超声消泡处理后，采用涂布技术和干燥法将铸膜液制备成质子-电子混合导电层；
8、经过干燥所形成的聚合物富集相得到固化以形成多孔骨架，并且在膜远离铝箔纸一侧（刮涂成膜后膜的上表面），溶剂n,n-二甲基乙酰胺与非溶剂邻苯二甲酸二丁酯快速挥发，聚合物聚苯并咪唑浓度快速升高从而使膜远离铝箔纸一侧的粘度上升抑制相分离，形成膜的致密层（厚度为1-5μm）。
9、s4：采用非溶剂诱导相分离法和干燥法，将步骤s3的质子-电子混合导电层于室温下浸入甲醇一段时间后真空干燥，得到质子-电子混合多孔导电层（p-opbi-pedot:pss）；
10、通过浸泡让甲醇充分与质子-电子混合导电层中的非溶剂邻苯二甲酸二丁酯进行置换，从而形成富含聚合物聚苯并咪唑的膜的多孔层。
11、s5：通过离子溅射法对质子-电子混合多孔导电层的膜两侧、多孔层和致密层的交界处及多孔层孔道内表面负载pt颗粒催化剂，即得具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜。
12、进一步地，所述步骤s1中，聚苯并咪唑（pbi）与有机溶剂n,n-二甲基乙酰胺（dmac）用量比为1g:10ml；升温搅拌的温度为50℃。
13、进一步地，所述步骤s2中，铸膜液的制备：将n,n-二甲基乙酰胺和邻苯二甲酸二丁酯加入到聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸粉末中，经过超声分散1h，得到混合物；将混合物置于步骤s1的聚苯并咪唑均质溶液中，继续升温搅拌6h，充分分散后，降温冷却至室温，即可得到铸膜液。
14、更进一步地，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸粉末、邻苯二甲酸二丁酯与n,n-二甲基乙酰胺的质量比为1:20:40，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸粉末与步骤s1的聚苯并咪唑粉末的质量比为1:10，升温搅拌的温度为80℃。
15、进一步地，所述步骤s3中，超声时间为30min；所述涂布技术和干燥法制备质子-电子混合导电层的具体步骤如下：
16、s31：将洁净的铝箔纸平铺在自动涂膜机上，并真空处理使其平整；
17、s32：将铸膜液倒在铝箔纸上；
18、s33：设置膜厚，调节涂布机参数；
19、s34：将膜在洁净环境中放置；
20、s35：将膜放入真空干燥箱中干燥，即可得到质子-电子混合导电层。
21、更进一步地，所述步骤s33中，膜厚为40-60μm，刮膜速度为2mm/s；所述步骤s34中，放置时间为3h；所述步骤s35中，真空干燥为100℃干燥10h。
22、进一步地，所述步骤s4中，浸入甲醇的时间为24h，真空干燥为80℃干燥24h。
23、进一步地，所述步骤s5中，通过离子溅射法对质子-电子混合多孔导电层的膜两侧、多孔层和致密层的交界处及多孔层孔道内表面负载pt颗粒催化剂，使得pt催化剂分布在膜两侧、多孔层和致密层的交界处及多孔层孔道内表面，具体为：将质子-电子混合多孔导电层利用圆形模具裁剪好，并放置于离子溅射仪的样品台上，对多孔导电层进行铂颗粒催化剂负载处理，使膜两侧、多孔层和致密层的交界处及多孔层孔道内表面被铂颗粒催化剂均匀负载，即得具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜。
24、本专利技术还提供了一种上述制备方法制备得到的具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜，该氢气分离膜包括膜的多孔层、致密层以及膜两侧、多孔层和致密层的交界处及多孔层孔道内表面负载pt颗粒作为催化剂，其中，膜的多孔层和致密层共同组成了质子-电子混合多孔导电层（p-opbi-pedot:pss），它是由用于传输质子的有机物和用于导电的高分子材料组成的。
25、本专利技术还提供了一种上述具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜的应用，所述具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜用于h2分离。
26、与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
27、本专利技术中，通过对传统致密膜进行结构改良，提供了一种具有多孔结构的对h2具有100%选择性的超薄聚合物双相氢气分离膜。首先，本专利技术制备的具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜与传统有机h2分离膜相比，充分利用有机物来实现h+和e-的内部双通道的构建，实现对h2的100%选择性。其次，与传统致密膜相比，本专利技术中膜的多孔结构部分起到了有效的支撑作用和降低致密层膜厚的双重作用，而且引入多孔结构提供了更多的质子和电子传输通道。最后，本专利技术的多孔层增加了氢气与催化剂之间的接触面积，进而增加了催化本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜的制备方法，其特征在于：具体包含以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，聚苯并咪唑粉末与N,N-二甲基乙酰胺的用量比为1g:10mL；升温搅拌的温度为50℃。
3.根据权利要求1所述的一种具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，铸膜液的制备：将N,N-二甲基乙酰胺和邻苯二甲酸二丁酯加入到聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸粉末中，经过超声分散1h，得到混合物；将混合物置于步骤S1的聚苯并咪唑均质溶液中，继续升温搅拌，充分分散后，降温冷却至室温，即可得到铸膜液。
4.根据权利要求3所述的一种具有多孔结构的超薄聚合物双相氢气分离膜的制备方法，其特征在于：聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸粉末、邻苯二甲酸二丁酯与N,N-二甲基乙酰胺的质量比为1:20:40，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸粉末与步骤S1的聚苯并咪唑粉末的质量比为1:10，升温搅拌的温度为80℃。
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