[發明專利]一種酸堿水電解用復合膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010969029.6
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112126946B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 邵志剛;呂波
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C25B13/08
• 分類號: C25B13/08;C25B1/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 周瑩;李馨

本發明屬于水電解領域，具體是涉及一種酸堿水電解用復合膜及其制備和應用。原料為聚苯并咪唑和C₃N₄，C₃N₄的質量分數為0.1?1.5wt.％；先制備聚苯并咪唑和C₃N₄納米片，再將PBI和C₃N₄納米片分別分散于溶劑中，得到PBI溶液S1、C₃N₄納米片分散液S2，將S1、S2均勻混合、攪拌后得到鑄膜液S3，將其澆鑄在帶凹槽的平板玻璃上，真空干燥后得到酸堿水電解用復合膜。該復合膜具有良好的機械性能，應用于酸堿水電解中可以顯著降低水電解的分解電壓，降低能耗，展示出良好的電池性能。

技術領域

本發明屬于水電解領域，具體是涉及一種酸堿水電解用復合膜及其制備方法和應用。

背景技術

水電解提供了一種由水制氫的能量轉化路線，如果電解水的電源完全來自可再生能源，便可真正地實現CO₂的零排放。通過這種方式獲得的氫氣純度非常高，可達99.99％以上。常規的水電解的研究主要集中在堿水電解、堿性固態電解質水電解、質子交換膜水電解、高溫固體氧化物水電解。然而以上的水電解均存在酸性析氧反應(OER)動力學速率較慢或者堿性析氫反應(HER)動力學速率較慢的問題，造成了實際電解電壓(槽電壓)遠高于液態水的理論電解電壓。

為解決上述問題，Journal of Energy Chemistry 38,162,(2019)公開了一種將Nafion115膜作為隔膜，膜一側通入H₂SO₄溶液，另一側通入KOH溶液。這種設計可以充分利用酸性介質中析氫反應動力學速率較快和堿性介質中析氧反應動力學速率較快的優點，一定程度上降低了實際電解電壓。然而Nafion膜本身為酸性膜，與堿液接觸的一側容易與氫氧根發生中和反應，使得該側膜的壽命、電導率大幅度下降，造成電解池的電解性能和穩定性的降低。此外工業界提出了一種“雙極膜”的結構，即將陽離子交換膜與陰離子交換膜疊加在一起，陽離子交換膜的一側與酸液接觸。陰離子交換膜的一側與堿液接觸，避免了酸性Nafion膜作為隔膜所具有的缺點。但是由于陽離子交換膜與陰離子交換膜兩者分子結構相差巨大，膜與膜之間缺乏有效的粘結劑，造成了雙極膜具有很大的膜電阻，大幅度抵消了雙極膜水電解的技術優勢。

綜上所述，本領域尚缺乏一種具有高穩定性、高力學強度、高電解性能、低能耗的酸堿水電解用復合膜。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種兼具高穩定性、高力學強度、高電解性能、低能耗的酸堿水電解用復合膜，并提供了復合膜的制備方法和應用。

為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

本發明提供了一種酸堿水電解用復合膜，所述復合膜的原料為聚苯并咪唑和C₃N₄，所述C₃N₄的質量分數為0.1-1.5wt.％。

上述技術方案中，進一步地，所述聚苯并咪唑為mPBI(聚2,2'-(間苯基)-5,5'-聯苯并咪唑)，或ABPBI(聚(2,5-苯并咪唑))，或mPBI與ABPBI的混合物，或mPBI與ABPBI的共聚物(m-ABPBI)。

上述技術方案中，進一步地，所述mPBI的制備方法為溶液聚合法，所述方法包括以下步驟：

(1)將多聚磷酸倒入三口燒瓶，在140-160℃油浴中加熱攪拌并通入氮氣保護，氮氣流量為100-400mL/min，持續加熱30-60min；

(2)加入適量3,3'-二氨基聯苯胺，在140-160℃油浴中攪拌2-5h，攪拌速率為300-800r/min；