CN118086974A - 一种可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的制备方法 - Google Patents
一种可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118086974A CN118086974A CN202410217468.XA CN202410217468A CN118086974A CN 118086974 A CN118086974 A CN 118086974A CN 202410217468 A CN202410217468 A CN 202410217468A CN 118086974 A CN118086974 A CN 118086974A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- porous membrane
- membrane
- ldh
- nicofe
- ptfe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 109
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 title claims abstract description 57
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 title claims abstract description 57
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims abstract description 30
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N cobalt dinitrate Chemical compound [Co+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 claims description 18
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N urea group Chemical group NC(=O)N XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 17
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 16
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 claims description 12
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 12
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- KBJMLQFLOWQJNF-UHFFFAOYSA-N nickel(II) nitrate Inorganic materials [Ni+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O KBJMLQFLOWQJNF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 10
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N nitrate group Chemical group [N+](=O)([O-])[O-] NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- 239000002667 nucleating agent Substances 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 239000002585 base Substances 0.000 claims description 8
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 claims description 8
- 229910002554 Fe(NO3)3·9H2O Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 4
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 4
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 3
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 2
- 150000003841 chloride salts Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 claims 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 abstract description 8
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 abstract description 5
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 abstract description 5
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 9
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N iron(3+);trinitrate Chemical compound [Fe+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 3
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 2
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000011256 inorganic filler Substances 0.000 description 2
- 229910003475 inorganic filler Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 2
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- GETQZCLCWQTVFV-UHFFFAOYSA-N trimethylamine Chemical compound CN(C)C GETQZCLCWQTVFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010007269 Carcinogenicity Diseases 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 1
- LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N ammonium fluoride Chemical compound [NH4+].[F-] LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- HRQGCQVOJVTVLU-UHFFFAOYSA-N bis(chloromethyl) ether Chemical compound ClCOCCl HRQGCQVOJVTVLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000711 cancerogenic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000315 carcinogenic Toxicity 0.000 description 1
- 231100000260 carcinogenicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000007670 carcinogenicity Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010742 number 1 fuel oil Substances 0.000 description 1
- RECVMTHOQWMYFX-UHFFFAOYSA-N oxygen(1+) dihydride Chemical compound [OH2+] RECVMTHOQWMYFX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920005548 perfluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 description 1
- 238000005956 quaternization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007614 solvation Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
一种可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的制备方法，属于隔膜技术领域。使用亲水聚四氟乙烯作为多孔隔膜基底，利用水热法在其表面和膜内生长层状双氢氧化物，通过改变生成层状双氢氧化物的整体料液浓度达到对复合多孔隔膜形貌和性能的调控。本方法制备的复合膜具有良好的有机‑无机界面相容性，表现出高亲水性、高电导率、低欧姆电阻等优势，此外该复合膜打破了传统阴离子交换膜碱性稳定性差的缺点，可以保持长期耐碱性。该发明制膜工艺绿色低成本，在碱性电解水制氢过程中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于碱性电解水技术领域，具体涉及一种长期碱性稳定的有机-无机复合多孔隔膜的制备方法。
背景技术
能源是人类社会生存发展的必需品，从柴薪、煤炭到石油、天然气，人类利用能源的方式更加多样化。但是，随之而来的煤石油天然气传统化石燃料正在消耗殆尽，与此同时伴随着恶劣的环境污染和温室效应的加剧。面对日益严峻的能源危机以及日益加剧的环境污染，实现碳达峰、碳中和为代表的“双碳”目标，核心问题是实现碳元素替代。近年来，氢能由于其燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多、安全性能好等优势被认为是一种清洁、环境友好和可再生的能源载体，是化石燃料有前途的替代品，文献(Nature Energy,2021,6(8):834-843)。但是生产氢的过程不是百分之百的“零碳”，根据氢能生产来源和生产过程中的排放情况，人们将氢能分别命名为灰氢、蓝氢、绿氢，其中电解水为制备绿氢提供了一条重要途径。目前所存在的4种电解水制氢技术，主要包括碱性水溶液电解、质子交换膜电解水、碱性离子膜电解水和酸碱两性离子膜电解水，文献(Renewable and Sustainable EnergyReviews,2018,81:1690-1704)。近期研究的重点多集中于PEM电解水和AEM电解水。对于PEM电解水，质子交换膜具有高的离子传导率、低的过电位，而且PEM电解水技术相对成熟；但是在制备膜电极组件时会使用贵金属催化剂Pt/C、IrO2，因此该项技术成本高，而且代表性的商业nafion膜由于是全氟聚合物，制造过程也会造成严重的环境问题。对于AEM电解水，它是在PEM电解水的基础上发展而来，克服了传统使用贵金属催化剂的劣势，在成本上大大缩减；但是其还在发展阶段，存在着离子传导率相对差、膜材料稳定性不足等缺点，阴离子交换膜作为阴离子交换膜电解水的关键组件，其性能严重影响着电解水制氢过程，优异的离子交换膜需要具备高稳定、高强度、高电导、低溶胀、低渗透、低成本的特点。所以要发展膜电解水技术，关键在于膜材料的改进和创新。
碱性电解水离子膜根据运载离子方式不同分为三种类型：多孔隔膜、阴离子交换膜、离子溶剂化膜，文献(万磊,徐子昂,王培灿,许琴,王保国.电解水制氢的耐碱离子膜研究进展[J/OL].化工进展)。但是在AEMs的合成过程中，需要氯甲醚和三甲胺等剧毒致癌试剂的参与，季铵化程度难以控制。此外，AEMs在碱性环境中具有化学不稳定性，由于氢氧离子的攻击，具有高氧演化反应(OER)电位，导致阳离子的降解。离子溶剂化膜代表PBI基膜在热碱性溶液和浓碱性溶液的极化条件下也进行主干分解，最终导致机械失效。因此，有必要在制备过程中解决AEMs过程中的氢氧化物导电性、耐碱性和毒性问题。三种膜中由于多孔隔膜制备绿色，同时具有耐碱性和导电性以及特殊的复合结构和孔传输离子特点，引起研究者的广泛研究。
早期的碱性水溶液电解中隔膜材料为石棉。但石棉具有高致癌性、高温不稳定及高内阻等劣势，其已被聚苯硫醚编织物取代。聚苯硫醚编织物的高孔隙率导致泡点压力低(<0.02bar)，使氢气渗透严重，因此不适合在加压型碱性水溶液电解的应用，文献(Electrochimica Acta,2021,369:137684)。综上所述，本领域制备优异性能的多孔隔膜需要找到稳定的聚合物基底材料和制备绿色、导电性优良、气密性良好的无机填料。聚合物基底材料要具备高IEC、离子传导率和化学稳定性；功能无机填料与高分子复合，要开发综合性增强型的复合膜，加强界面相容性；新型二维材料自组装膜，利用层间快速传导离子，同时需要加强稳定性。
发明内容
为克服上述多孔隔膜的缺点，本发明目的在于提供一种可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的制备方法，该膜制备绿色无污染、具有低电阻、低气体渗透性、高稳定性的优势。
为实现上述发明目的，其技术特征在于制备过程由以下步骤组成：
步骤一：采用经亲水处理过的多孔膜作为基膜，亲水处理为：浸泡于醇中24小时待用；
步骤二：配置制膜液，将Ni盐、Co盐、Fe盐、碱、成核剂溶于溶剂中制备成制膜液，其中二价金属离子、三价金属离子摩尔比为2～4：1，优选4:1；Ni2+/Co2+的摩尔比为0:10～10:0；进一步优选Ni2+/Co2+/Fe3+摩尔比＝2:2:1；其中Co的摩尔浓度为0.0175M-0.07M，碱的浓度为0.15M-0.6M，成核剂浓度0.0125M-0.05M；进一步优选Co/Ni/Fe/碱/成核剂摩尔比＝0.0175：0.0175：0.00875：0.15：0.0125。
步骤三：将步骤一预处理的PTFE多孔膜贴在聚四氟乙烯板上，然后竖直置于反应釜内衬中，采用步骤二的制膜液将其完全浸没；
步骤四：将步骤三装有制膜液的反应釜内衬放置于超声装置中超声10min；将反应釜拧紧后置于马弗炉中热处理；
步骤五：使用去离子水清洗步骤四得到的聚四氟乙烯多孔膜，在室温下晾干后得到NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜；
步骤一多孔膜选自聚四氟乙烯多孔膜、聚丙烯多孔膜、聚偏氟乙烯；聚四氟乙烯多孔膜经过亲水处理，孔径为0.1～1μm；聚四氟乙烯多孔膜亲水处理：将PTFE膜浸泡在醇中，所述的醇选自的无水乙醇、正丙醇、异丙醇；所述Ni盐、Co盐、Fe盐选自硝酸盐物质、氯化盐、硫酸盐等；Fe盐可以是三价或三价和二价。最终的LDH是三元LDH或二元LDH；
所述碱选自尿素、氢氧化钠、氢氧化钾，优选尿素；所述的溶剂为有机溶剂或/和水，有机溶剂选自乙醇、正丙醇、异丙醇、己烷等；
步骤五，热处理温度100℃～200℃；热处理时间为6～24小时；热处理氛围为空气条件。
本发明使用水热法制备的可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜，或者所述聚四氟乙烯多孔膜与聚四氟乙烯多孔膜-层状双氢氧化复合多孔隔膜的组合体作为隔膜用于电解水过程，包括电解水制取氢气、电解水制取氧气过程。
本发明使用亲水聚四氟乙烯作为多孔隔膜基底，利用水热法在其表面和膜内生长层状双氢氧化物，通过改变生成层状双氢氧化物的整体料液浓度达到对复合多孔隔膜形貌和性能的调控。本方法制备的复合膜具有良好的有机-无机界面相容性，表现出高亲水性、高电导率、低欧姆电阻等优势，此外该复合膜打破了传统阴离子交换膜碱性稳定性差的缺点，可以保持长期耐碱性。该发明制膜工艺绿色低成本，在碱性电解水制氢过程中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为NiCoFe LDH的XRD图；
图2为NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜表面形貌图；
(a)NiCoFe LDH/PTFE-0.5(b)NiCoFe LDH/PTFE-1.0(c)NiCoFe
LDH/PTFE-1.5(d)NiCoFe LDH/PTFE-2.0。
图3为NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜水接触角图；
图4为不同浓度调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的电解水性能图；
图5为NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的电解水长期稳定性图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。
本发明的实施步骤如下：
1.使用便宜易得的耐碱多孔膜为基体材料，使用前将基膜浸泡于无水乙醇中24小时。配制不同浓度的过渡金属盐及成核剂、碱的混合溶液加入反应釜，然后将预处理的耐碱多孔膜贴于3x5cm2的聚四氟乙烯板上浸于混合溶液中，经过超声处理数分钟后，放入马弗炉中一定温度下反应数小时。结束反应后，待反应釜冷却，取出不同浓度调控的复合多孔隔膜，纯水冲洗干净，室温下晾干待用。
2.所述的耐碱多孔膜包括聚四氟乙烯多孔膜、聚丙烯多孔膜、聚偏氟乙烯多孔膜，优先选用聚四氟乙烯；聚四氟乙烯多孔膜孔径为0.1～1μm，优先选择0.1μm。
3.浸泡耐碱多孔膜的有机溶剂包括无水乙醇、正丙醇、异丙醇、己烷，优先选用无水乙醇。
4.所述过渡金属盐包括硝酸盐、氯化盐、硫酸盐等，优先选用硝酸盐；金属盐一般包括二价、三价盐，硝酸铁可以使用硝酸亚铁代替，若三元LDH中已有两种二价金属盐，优先选用硝酸铁；LDH有二元、三元，二元LDH优先选用NiFe LDH，三元LDH优先选用NiCoFe LDH；LDH中M2+/M3+配比在2～4，优先选用M2+/M3+＝4:1；三元NiCoFe LDH中，Ni2+/Co2+可在0:10～10:0之间调控，优先选用Ni2+/Co2+＝1:1。
5.所述碱包括尿素、氢氧化钠、氢氧化钾，优先选用尿素。
6.所述溶液溶剂包括纯水、乙醇、正丙醇、异丙醇、己烷、或者有机溶剂与纯水的混合溶剂，考虑到NH4F成核剂的添加，优先选用纯水作溶剂。
7.所述加热的温度范围在100℃～200℃，优先选用120℃。
8.所述加热的时间为6～24小时，优先选用6小时。
9.所述超声时间为5～20min，优先选用10min。
10.使用1所述水热法制备的可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜，或者所述聚四氟乙烯多孔膜与聚四氟乙烯多孔膜-层状双氢氧化复合多孔隔膜的组合体。
11.所述方法制备的可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜，可以用于碱性电解水过程，包括电解水制取氢气、电解水制取氧气过程。
使用便宜易得的聚四氟乙烯多孔膜为基体材料，使用前将基膜浸泡于无水乙醇中24小时。配制不同浓度的Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、尿素及NH4F的混合水溶液加入反应釜，然后将预处理的聚四氟乙烯多孔膜贴于3x5cm2的聚四氟乙烯板上浸于混合水溶液中，经过超声处理10分钟后，放入马弗炉中120℃下反应6小时。结束反应后，待反应釜冷却，取出不同浓度调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜，纯水冲洗干净，室温下晾干待用。
配制70ml不同浓度的Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、NH4F及尿素的混合水溶液加入100ml反应釜内衬中，分别命名为0.5倍浓度、1.0倍浓度、1.5倍浓度及2.0倍浓度，具体药品种类及浓度如下：
(1)0.5倍浓度：0.0175M Co(NO3)2·6H2O、0.0175M Ni(NO3)2·6H2O、0.00875MFe(NO3)3·9H2O、0.15M尿素、0.0125M NH4F
(2)1.0倍浓度：0.035M Co(NO3)2·6H2O、0.035M Ni(NO3)2·6H2O、0.0175MFe(NO3)3·9H2O、0.3M尿素、0.025M NH4F
(3)1.5倍浓度：0.0525M Co(NO3)2·6H2O、0.0525M Ni(NO3)2·6H2O、0.02625MFe(NO3)3·9H2O、0.45M尿素、0.0375M NH4F
(4)2.0倍浓度：0.07M Co(NO3)2·6H2O、0.07M Ni(NO3)2·6H2O、0.035MFe(NO3)3·9H2O、0.6M尿素、0.05M NH4F
表1、NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜用于碱性电解水实施例
注：采用泡沫镍作阳极气体扩散层，碳纸作阴极气体扩散层，催化剂分别选用IrO2和Pt/C，负载量均为2.0mg/cm2。将本发明上述的隔膜与催化剂、气体扩散层组装成MEA置于电池夹具中，膜两侧均充入30wt％的KOH电解质溶液，蠕动泵进料速度为4ml/min，测试温度为80℃。
使用步骤1水热法制备的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜进行膜的电解水测试，其中NiCoFe LDH/PTFE-1.0：0.035M Co(NO3)2·6H2O、0.035MNi(NO3)2·6H2O、0.0175M Fe(NO3)3·9H2O、0.3M尿素、0.025M NH4F混合水溶液制备的膜在80℃下1A cm-2的测试电压为1.84V；NiCoFe LDH/PTFE-2.0：0.07MCo(NO3)2·6H2O、0.07M Ni(NO3)2·6H2O、0.035M Fe(NO3)3·9H2O、0.6M尿素、0.05MNH4F混合水溶液制备的膜在80℃下1A cm-2的测试电压为1.77V。
NiCoFe LDH的XRD见图1；NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜表面形貌见图2，NiCoFeLDH/PTFE复合多孔隔膜水接触角见图3；不同浓度调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的电解水性能见图4；NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的电解水长期稳定性见图5。
NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的组合体用于碱性电解水中，表现出良好亲水性和电解水性能。
Claims (9)
1.一种可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用经亲水处理过的多孔膜作为基膜，亲水处理为：浸泡于醇中24小时待用；
步骤二：配置制膜液，将Ni盐、Co盐、Fe盐、碱、成核剂溶于溶剂中制备成制膜液，其中二价金属离子、三价金属离子摩尔比为2～4：1，Ni2+/Co2+的摩尔比为0:10～10:0；其中Co的摩尔浓度为0.0175M-0.07M，碱的浓度为0.15M-0.6M，成核剂浓度0.0125M-0.05M；
步骤三：将步骤一预处理的PTFE多孔膜贴在聚四氟乙烯板上，然后竖直置于反应釜内衬中，采用步骤二的制膜液将其完全浸没；
步骤四：将步骤三装有制膜液的反应釜内衬放置于超声装置中超声10min；将反应釜拧紧后置于马弗炉中热处理；
步骤五：使用去离子水清洗步骤四得到的聚四氟乙烯多孔膜，在室温下晾干后得到NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一所述多孔膜选自聚四氟乙烯多孔膜、聚丙烯多孔膜、聚偏氟乙烯；聚四氟乙烯多孔膜经过亲水处理，孔径为0.1～1μm；聚四氟乙烯多孔膜亲水处理：将PTFE膜浸泡在醇中，所述的醇选自的无水乙醇、正丙醇、异丙醇。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二所述Ni盐、Co盐、Fe盐选自硝酸盐物质、氯化盐、硫酸盐等；Fe盐是三价或三价和二价；最终的LDH是三元LDH或二元LDH；
所述碱选自尿素、氢氧化钠、氢氧化钾，优选尿素；成核剂选自NH4F；所述的溶剂为有机溶剂或/和水，有机溶剂选自乙醇、正丙醇、异丙醇、己烷。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二Ni2+/Co2+/Fe3+摩尔比＝2:2:1；Co/Ni/Fe/碱/成核剂摩尔比＝0.0175：0.0175：0.00875：0.15：0.0125。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二制膜液的组成为(1)：0.0175MCo(NO3)2·6H2O、0.0175M Ni(NO3)2·6H2O、0.00875M Fe(NO3)3·9H2O、0.15M尿素、0.0125M NH4F；
(2)：0.035M Co(NO3)2·6H2O、0.035M Ni(NO3)2·6H2O、0.0175M Fe(NO3)3·9H2O、0.3M尿素、0.025M NH4F；
(3)：0.0525M Co(NO3)2·6H2O、0.0525M Ni(NO3)2·6H2O、0.02625MFe(NO3)3·9H2O、0.45M尿素、0.0375M NH4F；
(4：0.07M Co(NO3)2·6H2O、0.07M Ni(NO3)2·6H2O、0.035M Fe(NO3)3·9H2O、0.6M尿素、0.05M NH4F。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五，热处理温度100℃～200℃；热处理时间为6～24小时；热处理氛围为空气条件。
7.按照权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜。
8.按照权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的应用，作为隔膜用于电解水过程，包括电解水制取氢气、电解水制取氧气过程。
9.按照权利要求8的应用，用于碱性条件下。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410217468.XA CN118086974A (zh) | 2024-02-27 | 2024-02-27 | 一种可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410217468.XA CN118086974A (zh) | 2024-02-27 | 2024-02-27 | 一种可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118086974A true CN118086974A (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=91145020
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410217468.XA Pending CN118086974A (zh) | 2024-02-27 | 2024-02-27 | 一种可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118086974A (zh) |
-
2024
- 2024-02-27 CN CN202410217468.XA patent/CN118086974A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vincent et al. | Low cost hydrogen production by anion exchange membrane electrolysis: A review | |
| Sajid et al. | A perspective on development of fuel cell materials: Electrodes and electrolyte | |
| Abdelkareem et al. | Comparative analysis of liquid versus vapor-feed passive direct methanol fuel cells | |
| Wan et al. | Green preparation of highly alkali-resistant PTFE composite membranes for advanced alkaline water electrolysis | |
| Wan et al. | H2SO4-doped polybenzimidazole membranes for hydrogen production with acid-alkaline amphoteric water electrolysis | |
| CN114196991B (zh) | 一种水电解用多层质子交换膜及其制备方法 | |
| KR20220051161A (ko) | 수소 생산 장치 | |
| CN112892246B (zh) | 一种聚四氟乙烯的无机纳米粒子复合膜的制备方法 | |
| CN105680077A (zh) | 一种质子交换膜 | |
| Zou et al. | Fabrication of bacterial cellulose membrane-based alkaline-exchange membrane for application in electrochemical reduction of CO2 | |
| CN115142089A (zh) | 一种碱性电解水制氢用有机-无机复合膜的制备方法 | |
| CN113416971B (zh) | 一种电解过氧化氢制氢气的装置及方法 | |
| CN112194810B (zh) | 一种采用气相诱导相转化法制备基于聚苯并咪唑的多孔聚合物离子交换膜的方法及其应用 | |
| CN118086974A (zh) | 一种可调控的NiCoFe LDH/PTFE复合多孔隔膜的制备方法 | |
| CN102456903A (zh) | 一种利用甲酸电解制取氢气的方法 | |
| CN112251774B (zh) | 一种基于聚苯并咪唑的多孔聚合物离子交换膜及其采用溶胶凝胶法制备的方法和应用 | |
| Roschger et al. | Electrode configurations study for alkaline direct ethanol fuel cells | |
| KR20080103794A (ko) | 연료전지에 사용하는 이오노머 슬러리를 포함하는 막-전극접합체 제조방법 및 그 막-전극접합체, 막-전극체를 포함하는 연료전지 | |
| CN114181426B (zh) | 一种有机-无机复合膜及其制备方法与应用 | |
| CN111286746A (zh) | 一种用于制备燃料电池用氢的聚乙烯亚胺隔膜及制备方法 | |
| CN115216785B (zh) | 一种用于电解制氢的电极、电解装置及方法 | |
| CN101613482B (zh) | 一种降低甲醇渗透的非水合质子交换膜的制备方法 | |
| Macchi et al. | Recent Advancements in the Synthesis and Application of Carbon-Based Catalysts in the ORR. Electrochem 2022, 3, 1–27 | |
| CN114843565A (zh) | 一种离子交换Nafion基膜电极制备方法及其应用 | |
| Verma et al. | Advanced Materials in Energy Conversion Devices: Fuel Cells and Biofuel Cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |