[發(fā)明專利]一種三維網(wǎng)絡(luò)多孔膜的制備方法與應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110598947.7
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113144916A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱英;郭雨萌
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B01D69/12
• 分類號: B01D69/12;B01D67/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 李曉莉;江亞平

本發(fā)明涉及一種三維網(wǎng)絡(luò)多孔復(fù)合膜的制備方法與應(yīng)用，包括以下步驟：1)將聚多元醇溶解在水中，磁力攪拌至完全溶解，之后加入石墨烯分散液，磁力攪拌至分散均勻；2)接下來加入帶羧基官能團的醛基高分子化合物，磁力攪拌至完全消泡，后用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)體系的pH值，再加入醛基交聯(lián)劑，后移至玻璃器皿中進行干燥，制得三維網(wǎng)絡(luò)多孔復(fù)合膜。采用簡單的流延成膜法制備一系列高穩(wěn)定性的三維多孔膜，該膜同時具有較高離子通量和離子選擇性，并且價格低廉。本發(fā)明以聚多元醇作為三維網(wǎng)絡(luò)框架，使用含羧基基團的醛基高分子化合物提供羧基基團，從而提高離子選擇性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種三維網(wǎng)絡(luò)多孔膜材料的制備方法與應(yīng)用，屬于膜材料的制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于人類社會對能源的需求不斷增加和化石燃料的迅速消耗，尋找大量可再生的清潔能源成為當下科學(xué)研究工作的熱點。江-海界面處的鹽差能密度約為0.8kWh·m^-3，全球各河口區(qū)鹽差能總儲量高達30TW。如果用很有效的裝置來提取世界上所有河流的這種能量，那么可以獲得約2.6TW的電力。目前，提取鹽差能的技術(shù)主要包括滲透壓能法(PRO)和反電滲析法(RED)，其中，RED法是一種很有前途的將滲透能轉(zhuǎn)化為電能的方法，它是在不同濃度的鹽溶液之間放置離子選擇性透過膜，利用不同離子間的濃度差，使之在離子交換膜之間定向遷移，從而將化學(xué)勢能直接轉(zhuǎn)換為電能。通常，膜的選擇性決定了膜的性能，而滲透性限制了膜的輸出功率密度，而在滲透性和選擇性之間取得平衡已成為一項挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)換過程中的能量損失也阻礙其應(yīng)用，該行業(yè)的最終目標是確保輸出功率密度高于5W m^-2，因此實現(xiàn)高功率密度RED離子選擇性薄膜一直是研究者們追求的目標。

水凝膠是一種具有三維(3D)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的“軟而濕”材料，通過其相互連接的路徑和空間電荷的能力，顯示出促進離子/電子快速質(zhì)量傳輸?shù)臐摿Αhen等人受生物離子選擇膜的啟發(fā)，通過簡單的光聚合作用制備了一種甲基丙烯酸-2-羥乙基磷酸酯(HEMAP)水凝膠膜。該HEMAP水凝膠膜具有有序一維納米通道，以及具有高電導(dǎo)率和良好的離子選擇性。在50倍鹽度梯度下的輸出功率密度為5.38W m^-2，具有廣泛的應(yīng)用范圍。在實驗和理論表明所制備的膜具有的相互連接的三維結(jié)構(gòu)在增強電荷控制的離子遷移中起著關(guān)鍵作用。Zhang等人采用連續(xù)的刮涂法構(gòu)建了由一層功能性聚電解質(zhì)水凝膠膜和一層支撐性多孔芳綸納米纖維(ANF)膜組成的有機非均相膜。固有的靜電、化學(xué)和結(jié)構(gòu)不對稱性使得系統(tǒng)具有穩(wěn)定的離子二極管效應(yīng)，極大地促進了陽離子從納米纖維層到水凝膠層的傳輸。此外，水凝膠膜可以為離子擴散提供一個廣泛帶電的三維網(wǎng)絡(luò)，從而大大提高了界面?zhèn)鬏斝省．敾旌咸烊缓Ｋ秃铀畷r，功率輸出可達到～5.06W m^-2，產(chǎn)生的高的功率密度說明了其作為高性能界面材料在非均相膜基滲透發(fā)電裝置設(shè)計中具有良好的應(yīng)用前景。申請?zhí)枮?01811524533.4的中國專利報道了一種由一層介孔結(jié)構(gòu)的蠶絲膜和一層具有大孔結(jié)構(gòu)的膜材料，成功的將鹽差能轉(zhuǎn)化為電能，在模擬利用海水(0.5M NaCl)與河水(0.01M NaCl)的鹽差能發(fā)電系統(tǒng)中，最大輸出能量密度達到了2.86W m^-2。申請?zhí)枮?01910697315.9的中國專利公開了一種卟啉/氧化鋁納米通道膜，該膜是通過meso-四(4-磺基苯基)卟啉(TPPS)在氧化鋁納米通道薄膜(Al₂O₃)的上表面自組裝聚合成納米纖維膜，從而構(gòu)成TPPS/Al₂O₃納米通道膜。利用TPPS/Al₂O₃納米通道膜優(yōu)異的陽離子選擇性和光響應(yīng)性，利用光能增加總體的跨膜電流通量，進而使負載電阻捕獲更高的輸出電能。在光照條件下，該膜早500倍的濃度梯度下功率密度可達4.56W m^-2。盡管，近年來離子選擇性膜取得了令人矚目的成就，但大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用之前還有很長的路要走。特別是，水凝膠離子選擇性膜依然存在著使用成本高、機械性能差等問題。因此，迫切的需要開發(fā)制備方法簡單、成本低廉、穩(wěn)定性好、鹽差轉(zhuǎn)化效率高的離子選擇性膜材料。

發(fā)明內(nèi)容