离子交换膜

离子交换膜徐明钊•离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。离子交换膜简介按功能或结构分类：•阳离子交换膜、•阴离子交换膜、•两性交换膜、•镶嵌离子交换膜、•聚电解质复合物膜按制造工艺分类：•异相膜、•均相膜、•半均相膜离子交换膜的特点及应用1.离子导电性2.亲水性能3.固定载体（离子交换基团）特点应用举例离子传导电渗析电解质浓缩及淡化，双极膜电渗析制备酸和碱，跨膜离子交换反应、电去离子电解过程的分割介质氯碱生产扩散渗析废酸废碱回收加压渗析、热渗析脱盐或浓缩电池碱性电池、氧化还原电池、浓差电池燃料电池氢-氧、甲醇-氧亲水性渗透汽化有机溶剂脱除去湿气体除湿传感器气体传感器固定载体促进传递酸性气体去除修饰电极离子交换膜发展时间线1890191119251932194019501962197019781988-2002新型离子膜过程ED的集成杂化过程离子膜的大量工业应用杂化离子交换膜Nafion膜氯碱电极膜双极膜电渗析首次应用于海水制盐倒极电渗析EDR电去离子EDI商业离子交换膜和电渗析器出现电膜的首次工业应用Bacon首次制备两性离子膜和镶嵌膜首次制备离子膜Donnan电势的提出第一个电膜过程201060年代质子交换膜燃料电池PEMFC出现并应用于航天全球最大的质子交换膜燃料电池示范站落户华南理工大学2014丰田公司PEMFC汽车Mirai上市离子交换膜燃料电池1.高的离子传导率2.低的燃料渗透率3.良好的机械性能4.良好的热稳定性和水解稳定性5.良好的电化学稳定性6.良好的尺寸稳定性7.容易制备成MEA8.低廉的价格应用于燃料电池的离子交换膜应该具备的性质目前PEM以及AEM存在的主要问题PEM存在的主要问题高温低湿质子传导率低甲醇渗透严重耐受性差AEM存在的主要问题阴离子传导率低碱稳定性不足优化膜内的水环境同时减少溶胀微相分离促进质子传递杂化膜构建连续离子传递通道基于石墨烯等二维材料的新型离子交换膜采用能够抑制甲醇渗透的聚合物或者进行表面涂覆改性解决PEM存在问题的一些方法A跳跃机理B运载机理•KreuerKD.Ionconductingmembranesforfuelcellsandotherelectrochemicaldevices[J].ChemistryofMaterials,2013,26(1):361-380.•HeG,LiY,LiZ,etal.JournalofPowerSources,2014,248:951-961.•ParkCH,LeeSY,HwangDS,etal.Nanocrack-regulatedself-humidifyingmembranes[J].Nature,2016,532(7600):480-483.C表面机理优化膜内水环境水是质子传递的载体，同时参与跳跃机理和运载机理水环境优化加入亲水填充剂例如：微囊、GO使用磷酸基团等对水依赖性低的基团作为离子交换基团表面保水涂层•LiN,LeeSY,LiuYL,etal.Energy&EnvironmentalScience,2012,5(1):5346-5355.•LiN,YanT,LiZ,etal.Comb-shapedpolymerstoenhancehydroxidetransportinanionexchangemembranes[J].Energy&EnvironmentalScience,2012,5(7):7888-7892.促进微相分离构建高效的微相分离结构嵌段共聚物梳型共聚物微相分离形成的胶束状通道•Hasani-SadrabadiMM,DashtimoghadamE,MajediFS,etal.Nanoscale,2013,5(23):11710-11717.•ZarrinH,HigginsD,JunY,etal.TheJournalofPhysicalChemistryC,2011,115(42):20774-20781.•LiZ,HeG,ZhaoY,etal.JournalofPowerSources,2014,262:372-379.填充纳米材料纳米材料填充功能化碳纳米管功能化氧化石墨烯金属有机框架材料谢谢大家THANKYOU