超重力强化氯碱电解反应

将超重力场应用到氯碱电解过程中, 采用线性扫描法、计时电流法和交流阻抗法研究了超重力对析氢反应和析氯反应的影响, 并进一步考察了氯碱电解槽电压随重力系数的变化规律. 结果表明, 超重力能够强化析氢反应和析氯反应的进行; 相对于常重力条件, 气泡更容易从电解液中溢出, 溶液电阻随重力系数增加而降低; 氯碱电解槽电压也随重力系数的增加而降低, 并且电流密度越大, 槽电压降低的程度越大.     

双极界面聚合物膜燃料电池研究进展

双极界面聚合物膜燃料电池(BPFCs)作为一类新型的具有酸碱双极界面结构的聚合物膜燃料电池,其新颖的膜电极结构带来了突出的优势以及独特的界面问题。随着关键材料与界面工艺的发展,近年来双极界面聚合物膜燃料电池取得了显著的研究成果。本文将梳理膜电极工艺及结构、关键反应界面、水传输机制以及非铂催化剂应用等方面的研究进展。这些基础理论与关键技术的发展为双极界面聚合物膜燃料电池未来深入研究和开发奠定了良好的基础。     

Ce改性碳纳米管负载过渡金属磷化物用于电化学水分解

氢能是未来替代化石燃料的理想选择,可以通过电解水的半反应之一析氢反应制得,但其缓慢的反应动力学将会耗费大量的电池电压。因此,通过开发催化剂来降低电解槽的电压是解决这一问题的关键途径。本文经过简便的静电纺丝及碳化工艺得到Ce改性的碳纤维作为载体(Ce-CNFs),接着通过水热法及高温磷化法负载活性组分得到Co_x-Mo_y-P@Ce-CNFs,分别对催化材料的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)电催化活性进行了研究。结果表明,在1mol/L KOH电解液中,仅需要160mV和323mV的过电位就能达到10mA/cm²的电流密度。将Co_x-Mo_y-P@Ce-CNFs作为阴极和阳极材料组装为整体水电解槽,在电流密度为10mA/cm²时,电解槽的电池电压为1.65V,在电化学耐久性测试中能够稳定保持8h。     

“绿氢”工业化碱性催化剂研究现状及未来展望

电解水制氢技术的发展对于加快实现全球碳中和目标具有重要意义。然而,碱性介质中缓慢的析氢/析氧反应动力学过程目前是阻碍该技术发展的瓶颈问题。基于此,本文首先综述了碱性环境下析氢反应与析氧反应不同的动力学理论机制,总结了针对改善动力学反应过程的理论设计策略。随后,介绍了目前电解水催化剂的设计理念及方向。对新兴的“绿氢”技术而言,探索在高电流密度下高性能电催化剂对这项技术在工业化应用推广中起着核心作用。同时,大规模合成策略是辅助合成工业电极的关键技术。进一步,我们在推进“绿氢”工业化应用的基础上总结了目前常用三种电解槽,介绍了目前电解槽设计的局限性及对应解决方案。总之,深入研究适用于碱性环境中的工业电催化剂、商业膜或电解槽的设计,提高对工业设计原则的理解,对于获得效率更高、安全性更高、实用性更强的工业电解槽具有重要意义。     

Ni-P-mCMC/mCS双极膜技术在成对电解制备糠醇、糠酸中的应用

以磷酸化试剂改性羧甲基纤维素钠(mCMC)制备了阳膜层,以戊二醛改性壳聚糖(mCS)制备了阴膜层溶胶,将阴膜层溶胶流延于阳膜层上,制备了P-mCMC/mCS双极膜,而后以化学镀方法在阳膜层表面镀镍,制备了Ni-P-mCMC/mCS双极膜,并应用于成对电合成糠醇(阴极室中)、糠酸(阳极室中)。在电场的作用下,双极膜中水电离后生成的H+透过mCMC阳离子膜进入阴极室,促进糠醛电还原生成糠醇过程的进行;OH-透过mCS阴离子膜进入阳极室,与糠醛电氧化生成糠酸过程中产生的H+结合生成H2O,以增大正向反应的速度。在电流密度为2.5×10-2A/cm2,30℃下电解,阴阳两极室的电解效率分别为83.0%和77.4%,电解槽电压稳定在3.0V左右。     

离子交换膜对采用生物膜电极法降解五氯酚的影响

以五氯酚（PCP）为目标污染物,在隔膜式电解槽中研究了不同离子交换膜对采用生物膜电极法处理五氯酚的影响. 结果表明,阴离子交换膜有利于五氯酚在生物膜电极上的转化和中间产物的去除;与生物法和电化学法降解五氯酚相比,采用以钛基二氧化铅为阳极（Ti/PbO₂）、生物膜电极为阴极、阴离子交换膜为隔膜的电解槽处理时,五氯酚的降解效果明显优于生物法和电化学方法,经24 h处理后五氯酚的去除率和化学需氧量（COD）去除率均可达到96%（质量分数）.     

m(SA-CS)BM串联电解槽双成对电解制备乙醛酸

分别用戊二醛和二价锡离子改性壳聚糖(CS)和海藻酸钠(SA),制备改性海藻酸钠/亮聚糖双极膜[m(SA-CS)BM].将其作为双阴阳极电解槽的隔膜,应用于双成对电合成乙醛酸体系.在电场的作用下,双极膜中水电离后生成的H+透过Msa阳离子膜进入阴极室,以补充草酸电还原生成乙醛酸过程中H+的消耗;OH-透过Mcs阴离子膜进入阳极室,与乙二醛电氧化生成乙醛酸过程中产生的H+结合生成H2O,以增大正向反应的速度.在电流密度为30mA/cm2,20℃下电解,双阴极室的电流效率分别可达86.94%和82.81%,双阳极室的电流效率可达81.99%和78.62%,电解电压稳定在3.0V左右.     

mPAM/mCMC双极膜电解槽中MnO2电催化氧化制备甘油醛

分别以FeCl3和戊二醛等对羧甲基纤维素(CMC)和聚丙烯酰胺(PAM)进行改性, 制备了mPAM/mCMC双极膜. 测定了PAM、CMC胶体的电荷密度, mPAM/mCMC双极膜离子交换能力、I-V工作曲线等参数. 用扫描电镜和红外光谱对膜形貌与成分作表征, 膜厚≈260 μm, 中间界面层厚为纳米级. 热重分析表明膜具有较好的热稳定性. 以mPAM/mCMC双极膜为电解槽的隔膜, 间接电氧化甘油为甘油醛. 在电场的作用下, 双极膜中间层中的水离解产生H＋和OH−, OH−及时地传输入阳极室, 中和了电生成甘油醛时生成的H＋, 促进了正向反应的进行. 槽电压稳定, 产率达91.6%, 电流效率为65.5%.     

双极膜技术在环境工程中的应用与展望

简述了双极膜的水解离电渗析及双重电荷排斥性能。介绍了双极膜在含氟废液的处理、有价氟的回收应用、垃圾发酵连续制备有机酸、脱除烟气中的SO2气体、水处理以及双极膜蓄电池等方面的应用现状及前景。双极膜作为一种新型膜,以其水解离电渗析的独特优点,为解决环境工程中存在已久的一些技术难题提供了许多新的思路和解决办法。巧妙地利用双极膜与单极膜的组合,可以设计出许多工艺。双极膜在环境工程中的应用研究值得引起重视。     

双极膜技术在电氧化制备3-甲基-2-吡啶甲酰胺中的应用

分别以戊二醛和Fe3+改性壳聚糖和海藻酸钠并分别与柔性链聚乙烯醇(PVA)共混, 制备了Fe-SA-CS-GA/PVA聚合物双极膜. 测定膜的红外光谱, I-V工作曲线, Na+与Cl-透过双极膜的迁移数, 离子交换容量及阴阳两极室中OH-及H+的变化, 并以扫描电镜观察膜表面和界面层形态. IR与接触角分析结果表明, CS经GA/PVA改性后其亲水性能得到显著提高. 将SA-CS/PVA双极膜及Nafion膜应用于电氧化制备3-甲基-2-吡啶甲酰胺. 实验结果表明, 以SA-CS/PVA双极膜为隔膜合成3-甲基-2-吡啶甲酰胺的产率达到49.8%, 高于以Nafion膜为隔膜的产率.与传统的的方法相比, 该方法的反应条件温和且能有效利用能源.     

Fundamental studies on the intermediate layer of a bipolar membrane. Part II. Effect of bovine serum albumin (BSA) on water dissociation at the interface of a bipolar membrane

This paper investigates the behavior of bovine serum albumin (BSA) during water dissociation on a bipolar membrane (BPM). BSA-modified BPM is prepared by immersing polyethylene anion exchange membrane in different concentration solutions of BSA, then casting the solution of sulfonated poly(phenylene oxide) (SPPO) in dimethyl formamide. The modification of BSA was evidenced by atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The junction thickness was evaluated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The results showed that the typical I-V curves for bipolar membranes were heavily affected by the BSA modifications: the more the adsorbed amount of BSA, the larger the potential drop across a bipolar membrane. The new phenomena is underlined by the intrinsic properties of BSA molecules: steric effects give rise to an increase in the thickness of the depletion layer, amphoteric properties weaken the electric field of the junction, and hydrophobicity makes the junction less wet. All of these cause negative effects on water dissociation on a bipolar membrane.     

三明治式双极膜的制备及其光催化性能

以Cr3+交联羧甲基纤维素钠(CMC)作为阳膜层,戊二醛改性壳聚糖(CS)作为阴膜层,纳米TiO2光催化剂作为双极膜的中间层,在TiO2上涂布光敏剂八羟基喹啉（Oxine）以增强其光催化解离水的性能,制备了三明治式的双极膜（mCMC/TiO2-Oxine/mCS BPM)。 该双极膜在紫外光照射下,具有高的水解离效率,优良的亲水性能,双极膜阻抗小,工作电压低,当工作电流密度达0.12 A/cm2时,电槽工作电压小于5.0 V。     

四磺酸基铜酞菁-海藻酸钠/壳聚糖双极膜的制备与表征

分别用Fe3+和戊二醛作为交联剂对海藻酸钠(SA)阳离子交换膜和壳聚糖(CS)阴离子交换膜进行改性,制备了四磺酸基铜酞菁(CuTsPc)-海藻酸钠/改性壳聚糖双极膜(CuTsPc-SA/mCSBPM).在海藻酸钠阳膜层中添加四磺酸基铜酞菁,以提高阳膜层的离子交换容量,促进双极膜中间层中水的解离.采用X射线光电子能谱(XPS)对CuTsPc-SA阳离子交换膜进行了表征.实验结果表明,改性后SA阳膜层的离子交换容量、H+透过率均获得提高.与Fe3+改性或二茂铁离子改性的mSA/mCS双极膜相比,CuTsPc-SA/mCS双极膜的阻抗及电阻压降(即膜IR降)均下降.当电流密度为120mA/cm2时槽电压仅为5.6V.当CuTsPc含量为2.5%(质量分数)时CuTsPc-SA/mCS双极膜在H+离子浓度小于8mol/L的酸溶液中具有稳定的工作性能.     

八羧基铜酞菁修饰海藻酸钠阳膜层制备CuPc(COOH)8-SA/mCS双极膜及其表征

在海藻酸钠(SA)中添加八羧基铜酞菁(CuPc(COOH)₈),并分别用Fe³⁺离子和戊二醛作为交联剂对海藻酸钠-八羧基铜酞菁阳膜层和壳聚糖(CS)阴膜层进行改性,制备了八羧基铜酞菁-海藻酸钠/改性壳聚糖双极膜(CuPc(COOH)₈-SA/mCS BPM)。在海藻酸钠中添加八羧基铜酞菁以促进中间层中水的解离。用FTIR、SEM等对制备的CuPc(COOH)₈-SA/mCS双极膜进行了表征。作为比对,制备了Fe³⁺离子改性的Fe-SA/mCS双极膜和二茂铁(Fc)离子改性的Fc-SA/mCS双极膜。实验结果表明,CuPc(COOH)₈-SA阳离子交换膜的离子交换容量、H⁺离子透过率均获得提高。与Fe³⁺离子改性或二茂铁离子改性的mSA/mCS双极膜相比,CuPc(COOH)₈-SA/mCS双极膜的阻抗、电阻压降(IR降)和溶胀度降低,在H+离子浓度低于8 mol·L^-1的酸溶液中具有稳定的工作性能。     

Preparation of PVA-GA-CS/PVA-Fe-SA bipolar membrane and its application in electro-generation of 2,2-dimethyl-3-hydroxypropionic acid

PVA-GA-CS/PVA-Fe-SA bipolar membrane was prepared by a paste method. PVA-sodium alginate (SA) and PVA-chitosan (CS) were cross-linked by FeCl₃ and glutaraldehyde (GA), respectively. The charge densities of PVA-CS and PVA-SA solutions were determined by the colloid titration. The swelling level of bipolar membrane was in the range of 25–85%, meanwhile the permeability and the ion-exchange capacity as well as co-ion transport properties was investigated. FTIR was applied to analyze the functional groups of the bipolar membrane. Furthermore, SEM photographs of the BPM cross-section illustrated a structure that consists of an anion layer (PVA-GA-CS) and a cation layer (PVA-Fe-SA). TG analysis of PVA-GA-CS/PVA-Fe-SA bipolar membranes exhibited a good thermal stability. PVA-GA-CS/PVA-Fe-SA bipolar membranes were used as the separator in the electrolysis cell for electro-generation of 2,2-dimethyl-3-hydroxypropionic acid. The average current efficiency was 52.2%, and the highest current efficiency reached 68.9%.     

交联聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯双极膜的制备及其在电合成环氧丁二酸中的应用

以聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）嵌段共聚物作为基膜材料,采用自由基接枝聚合反应,在SBS主链上引入丙烯酸（AA）、苯乙烯磺酸和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）链段作为阳离子交换膜;引入丙烯酸二甲基胺基乙酯和KH570链段作阴离子交换膜,阴、阳离子交换膜经KH570结构中三甲氧基硅烷基团的水解缩合,得到含硅氧交联网的SBS接枝离子交换膜,用流延法制备了SBS双极膜。 测得SBS阴膜和阳膜的吸水率分别为63.9%和72.8%,SBS阴膜和阳膜的离子交换容量分别为1.51和2.71 mmol/g。 将SBS双极膜作为阴阳两室隔膜,采用钨酸钠/过钨酸钠体系由阴极间接电氧化合成了环氧丁二酸。 结果表明,以石墨为阴、阳电极,电流密度为2.0×10-2 A/cm²、50 ℃反应4 h,环氧丁二酸的产率为53.0%,电流效率为40.8%。     

P-mSA/mCS双极膜的制备及其在一价、二价离子分离中的应用

以五氧化二磷、磷酸三乙酯和磷酸为反应剂, 制备了磷酸化海藻酸钠(P-SA), 经二茂铁离子改性后作为阳膜层(P-mSA); 用乙酰基二茂铁改性壳聚糖制备了阴膜溶胶(mCS). 将阴膜溶胶流延于阳膜层上, 制备了P-二茂铁-SA/乙酰基二茂铁-CS双极膜(P-mSA/mCS BPM). 测定了双极膜的红外光谱、接触角、电荷密度、离子交换容量与交流阻抗. IR与接触角的分析结果表明, SA经磷酸化后, 亲水性能得到了显著提高. 将P-mSA/mCS BPM应用于一价、二价离子的分离, 当压力差为0.3 MPa时, 二价离子的截留率(双极膜截留的离子百分数)为95%, 一价离子的截留率为22%左右.     

Salicylic acid production by electrodialysis with bipolar membranes

Production of salicylic acid from sodium salicylate was carried out by electrodialysis (ED) using bipolar membranes (BPM). The process feasibility was tested using a laboratory ED-cell with a membrane area of 40 cm². The performances of two commercial bipolar membranes (Tokuyama Soda and Stantech membranes) are compared. Current efficiencies for salicylic acid and caustic soda production are close for both bioolar membranes (80–90%), but differences are observed with respect to energy consumption which are related to the electrical characteristics of the membranes.