CN109082677A - 一种表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用,是以表面负载石墨炔的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜,其中表面负载石墨炔的双极膜是由阳离子交换膜层,阴离子交换膜层,以及在阳离子交换膜层和阴离子交换膜层两外侧表面的石墨炔层复合而成。本发明将表面负载石墨炔的双极膜应用于水解离中,能够阻止电解液中的Na+、Cu2+、Cl‑、SO4 2‑、C6H6、CCl4通过,但可以透过水分子,有利于促进双极膜中间界面层水解离,另外本发明将表面负载石墨炔的双极膜应用于水解离中,坚实的石墨炔层负载于双极膜两侧,不仅提高了双极膜的化学稳定性,而且其杨氏模量、拉升强度等机械性能也获得提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用,具体地说,是一种光电催化双极膜在水解离应用中的技术方案。
背景技术
双极膜是由阳离子交换膜层、阴离子交换膜层和中间界面层组成,在直流电场作用下,中间界面层的水发生解离,生成氢离子和氢氧根离子并分别进入阴、阳极室。双极膜中间界面层水解离效率的大小是度量双极膜性能优越性的关键因素之一,因此,提高中间界面层水解离效率就尤为重要。在双极膜水解离装置中,双极膜通常被机械地固定在阴、阳极室之间,很容易引起双极膜受力不均而变形,导致双极膜的工作寿命缩短。另外,在双极膜水解离过程中产生大量的氢离子和氢氧根离子,使得阴、阳极室的pH会不断变化,这就要求双极膜能在不同pH范围的电解液中工作。而且电解液中含有大量的盐离子,有机物等有害物质,极易对双极膜造成污染,导致双极膜性能下降。
发明内容
本发明主要针对现有技术中双极膜水解离效率低、水解离电压大,双极膜的工作寿命短,容易被电解液污染等缺点,提供一种表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用。
本发明为解决上述问题而采取的技术方案为:
一种表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用,以表面负载石墨炔的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜,其中表面负载石墨炔的双极膜是由阳离子交换膜层,阴离子交换膜层,以及在阳离子交换膜层和阴离子交换膜层两外侧表面的石墨炔层复合而成。
作为本发明的一种优选实施方式,本发明所述配制无机盐溶液和有机溶剂的混合电解液,金属及其氧化物作为阳极,半导体材料及过渡金属氧化物作为阴极,采用直流稳压电源提供外加电压0.5~2.0V,350W氙灯作为光源,在光电催化作用下进行水解离。
作为本发明的一种优选实施方式,本发明所述的石墨炔层是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成的具有二维平面网络结构的全碳高分子,具有三角形原子孔,单原子厚的网状纤维结构,其有效孔径为
作为本发明的一种优选实施方式,本发明所述的无机盐溶液和有机溶剂的混合电解液的成分是浓度均为0.5-1.0mol L-1的NaCl、CuSO4、C6H6、CCl4的混合溶液。
作为本发明的一种优选实施方式,本发明所述的金属及其氧化物是钛基氧化物、Pt或者Pd中的一种。
作为本发明的一种优选实施方式,本发明所述的半导体材料及过渡金属氧化物为C3N4,BiOCl,Bi2O2CO3,BiOBr,MoS2,MoSe2,WS2,WSe2,ZnO,Cu2O,CuO,TiO2,WO3中的一种或几种任意比例的组合。
本发明双层膜的总厚度为60-100nm;
本发明所述的双极膜表面负载的石墨炔层的厚度为0.5-2.0μm。
所述的双极膜表面负载的石墨炔层能够阻止Na+、Cu2+、Cl-、SO4 2-、C6H6、CCl4通过,但可以透过水分子。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本发明将表面负载石墨炔的双极膜应用于水解离中,能够阻止电解液中的Na+、Cu2+、Cl-、SO4 2-、C6H6、CCl4通过,但可以透过水分子,有利于促进双极膜中间界面层水解离。
2、本发明采用表面负载石墨炔的双极膜进行水解离,石墨炔良好的导电性能有利于降低双极膜水解离电压,节约了能耗。
3、本发明采用表面负载石墨炔的双极膜进行水解离,使双极膜不与电解液直接接触,避免了电解液中盐离子,有机物等有害物质对双极膜造成污染,导致双极膜性能下降。
4、本发明将表面负载石墨炔的双极膜应用于水解离中,坚实的石墨炔层负载于双极膜两侧,不仅提高了双极膜的化学稳定性,而且其杨氏模量、拉升强度等机械性能也获得提高。
5、本发明表面负载石墨炔的双极膜应用于水解离中,采用石墨炔负载于双极膜两侧,化学性能稳定的碳材料石墨炔能够适应不同pH范围的电解液,有利于延长双极膜的工作寿命。
6、本发明将表面负载石墨炔的双极膜应用于水解离中,在电流密度为90mAcm-2下,水解离电压相对于未负载石墨炔层的双极膜降低了0.2-1.2V,水解离效率提高了5.3%-29.4%,使用寿命提高了3-5倍。
附图说明
附图1是放大的双极膜结构以及在无机盐溶液和有机溶剂混合电解液中的水解离示意图。
双极膜由石墨炔膜1、阴离子交换膜2、阳离子交换膜3和中间界面层4组成,在直流电场作用下,双极膜中间界面层的水发生解离,生成H+和OH-离子。电解液中的水分子可以透过石墨炔膜进入到双极膜中间界面层,及时补充消耗掉的水,但Na+、Cu2+、Cl-、SO4 2-、C6H6、CCl4等不能透过石墨炔膜进入。
具体实施方式
实施例1
以表面负载石墨炔的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜,配制0.5mol L-1的NaCl、CuSO4、C6H6、CCl4的混合电解液,钛基氧化物作为阳极,Bi2O2CO3作为阴极,采用直流稳压电源提供外加电压1.0V,350W氙灯作为光源,在光电催化作用下进行水解离。对双极膜的水解离电压、水解离效率,以及双极膜的使用寿命进行研究。
实验结果显示,采用负载石墨炔层的双极膜进行水解离,在电流密度为60mAcm-2下,水解离电压相对于未负载石墨炔层的双极膜降低了0.4V,水解离效率提高了13.4%,使用寿命提高了3.2倍。
实施例2
以表面负载石墨炔的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜,配制0.8mol L-1的NaCl、CuSO4、C6H6、CCl4的混合电解液,Pt作为阳极,MoS2作为阴极,采用直流稳压电源提供外加电压1.2V,350W氙灯作为光源,在光电催化作用下进行水解离。对双极膜的水解离电压、水解离效率,以及双极膜的使用寿命进行研究。
实验结果显示,采用负载石墨炔层的双极膜进行水解离,在电流密度为80mAcm-2下,水解离电压相对于未负载石墨炔层的双极膜降低了0.6V,水解离效率提高了17.2%,使用寿命提高了3.6倍。
实施例3
以表面负载石墨炔的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜,配制1.0mol L-1的NaCl、CuSO4、C6H6、CCl4的混合电解液,Pd作为阳极,MoS2/WS2复合材料作为阴极,采用直流稳压电源提供外加电压1.5V,350W氙灯作为光源,在光电催化作用下进行水解离。对双极膜的水解离电压、水解离效率,以及双极膜的使用寿命进行研究。
实验结果显示,采用负载石墨炔层的双极膜进行水解离,在电流密度为90mAcm-2下,水解离电压相对于未负载石墨炔层的双极膜降低了0.65V,水解离效率提高了18.6%,使用寿命提高了4.2倍。
Claims (6)
1.一种表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用,其特征是以表面负载石墨炔的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜,其中表面负载石墨炔的双极膜是由阳离子交换膜层,阴离子交换膜层,以及在阳离子交换膜层和阴离子交换膜层两外侧表面的石墨炔层复合而成。
2.权利要求1所述的表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用,其特征是配制无机盐溶液和有机溶剂的混合电解液,金属及其氧化物作为阳极,半导体材料及过渡金属氧化物作为阴极,采用直流稳压电源提供外加电压0.5~2.0V,350W氙灯作为光源,在光电催化作用下进行水解离。
3.权利要求1所述的表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用,其特征是所述的石墨炔层是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成的具有二维平面网络结构的全碳高分子,具有三角形原子孔,单原子厚的网状纤维结构,其有效孔径为
4.根据权利要求2所述的表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用,其特征是所述的无机盐溶液和有机溶剂的混合电解液的成分是浓度均为0.5-1.0mol L-1的NaCl、CuSO4、C6H6、CCl4的混合溶液。
5.根据权利要求2所述的表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用,其特征是所述的金属及其氧化物是钛基氧化物、Pt或者Pd中的一种。
6.根据权利要求2所述的表面负载石墨炔的双极膜在光电催化水解离中的应用,其特征是所述的半导体材料及过渡金属氧化物为C3N4,BiOCl,Bi2O2CO3,BiOBr,MoS2,MoSe2,WS2,WSe2,ZnO,Cu2O,CuO,TiO2,WO3中的一种或几种任意比例的组合。
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