全钒液流电池用质子交换膜的研究进展

全钒液流电池(VRFB)是一种大型储能装置,在新能源领域的发展和应用愈发成熟。在钒电池的组成中,质子交换膜(PEMs)作为关键部位之一,其性能优劣和成本决定着钒电池的寿命和最终性能。理想的钒电池隔膜不仅需要优异的质子传导能力,同时需要满足阻钒性、稳定性和成本合理性的要求。本文根据质子交换膜材料化学组成和物理结构的不同,对近几年钒电池用质子交换膜的研究现状及进展进行了分类总结和概述,同时阐述了高性能质子交换膜的重点研究及发展方向。     

全钒液流电池隔膜的制备与性能

全钒液流电池作为一种电化学储能装置在电网调峰、山区供电、电动车充电电源、应急电源等方面具有很广阔的应用前景。隔膜是全钒液流电池的关键组件之一,其结构和性能决定电池的效能。隔膜的离子传导率和钒离子的渗透率分别影响电池的电压效率和电流效率。隔膜的化学稳定性决定电池的长期运行的稳定性和使用寿命。本文根据隔膜的类别不同,分别阐述了含氟离子膜、非氟离子膜及多孔膜的制备与上述性能的关系,并展望了隔膜的发展方向。     

质子交换膜对钒氧化还原液流电池性能的影响

采用溶液接枝聚合法制备了一种新型的质子交换膜PVDF-g-PSSA, 测定了PVDF-g-PSSA膜、Nafion 117 膜和PE01均相膜的离子交换能力和电导率, 并分别研究了以这3种膜为隔膜的钒电池的电化学性能. 实验结果表明, PVDF-g-PSSA膜具有优良的质子电导率和离子交换能力, 室温下其离子交换能力和质子电导率分别为1.13 mmol/g和3.22×10-2 S/cm, 在不同的充放电电流密度下, 以PVDF-g-PSSA膜为隔膜的钒电池的库仑效率和能量效率明显高于Nafion 117膜和PE01均相膜为隔膜的钒电池; PVDF-g-PSSA膜阻钒离子的渗透性能与PE01均相膜基本一致, 都明显优于Nafion 117膜的阻钒离子渗透能力.     

化学与生物改性合成质子交换膜*

新型质子交换膜的研究主要集中在Nafion膜的化学或物理改性、化学合成材料的更新以及新型的生物材料燃料电池用质子交换膜的研发。本文对燃料电池用质子交换膜近3年的研究进展做了综述,并对PEMFC质子交换膜的发展前景进行了探讨与预测。     

不同磺化度下的磺化聚醚醚酮对全钒储能液流电池性质影响的研究

本文报道了采用浓硫酸作为磺化剂,成功合成了不同磺化度下的聚醚醚酮(PEEK)膜,并深入研究了磺化条件包括磺化时间和磺化剂的用量对所获薄膜性能的影响,获得了在不同磺化度（DS）下SPPEK膜的离子交换容,含水率,机械性能,质子电导率等参数,特别测定了在全钒液流电池工作条件下钒离子(Ⅳ)渗透率,首次为该类液流储能电池使用价廉质优的质子交换膜提供了基础实验数据。室温条件下的实验结果如下：1）磺化12小时后,膜的磺化度46%,含水量为28%,钒离子(Ⅳ)选择性最佳（钒离子渗透率为1.2×10-7 cm2/min-1,是Nafion117 (2.9×10-6 cm2/min-1)的1/24）,其质子电导率只有0.02 S/cm;2）磺化96小时其磺化度达79%的膜,质子电导率达0.16 S/cm,是Nafion117 (0.10S/cm) 的1.6倍, 但其机械性能最差;3）与Nafion117膜相比,磺化在36到48小时的SPPEK膜其机械力学性能好,薄膜的钒离子渗透率、离子交换容IEC、质子导电率和含水率高,且对钒离子的选择性佳,尤其价格仅为Nafion膜的1/13,是理想的Nafion膜的代替物,可望直接应用于全钒氧化还原液流（VRB）电池中。本文还讨论了磺化时间和不同磺化剂量对膜的性质的影响。     

两性质子交换膜的研究进展

两性质子交换膜是一种含有酸、碱结构并具有质子传导功能的聚合物薄膜材料。由于其结构可设计性强,分子链特殊的相互作用使之在导电的同时对甲醇或钒离子等具有优异的阻隔性能,近年来引起了广泛的关注。本文对国内外相关的研究结果进行了评述,并对两性质子交换膜进行了定义,根据化学结构和制备方法将其分为三大类:(1)碱性聚合物与高沸点酸掺杂型;(2)酸、碱聚合物共混型;(3)含有酸碱结构的聚合物本征型,对其在质子交换膜燃料电池和全钒液流电池中的应用性能进行了讨论。     

聚苯并咪唑/聚乙烯吡咯烷酮复合质子交换膜的制备及钒液流电池性能

将聚苯并咪唑(PBI)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混, 制备了一系列PBI/PVP复合质子交换膜, 研究了不同PVP含量对PBI/PVP复合质子交换膜性能的影响. 研究结果表明, PVP的加入可有效提高PBI/PVP复合质子交换膜的吸水率及硫酸吸附量, 从而提高质子电导率, 与PBI原膜相比, PBI-PVP-5复合质子交换膜的结合酸含量可达2.47 mmol/g, 质子电导率达4.81 mS/cm, 选择性(3.12×10⁵ S·min/cm³)远高于原膜(1.12×10⁵ S·min/cm³). 电流密度为120 mA/cm²时, 电池的电压效率(VE)和能量效率(EE)均较PBI原膜提高了10%, 电池自放电时间长达307 h. PVP的加入为PBI系列钒液流电池隔膜提供了一个提高质子电导率的新思路.     

锂离子电池隔膜改性研究进展

锂离子电池作为便携式电子产品、新能源汽车、蓄电设备等产品电源备受关注。锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液四部分组成。隔膜虽然不直接参与锂离子电池中的电化学反应,但是隔膜作为锂离子电池的重要组成部分,其性质在很大程度上影响锂离子电池的性能。目前聚烯烃仍是使用最为广泛和商业化最为成功的锂离子电池隔膜材料,但因其不良的电解液浸润性和热稳定性,降低了锂离子电池的电性能和安全性,因此改性成为改善聚烯烃隔膜材料性能和推广应用的重要途径。本文从聚烯烃材料多层膜结构改性、表面涂覆改性和层层自组装改性三方面总结了近五年聚烯烃隔膜改性研究的最新进展。最后,提出增强聚烯烃隔膜的热稳定性和电化学性能仍是未来研究重点,并对新型隔膜材料进行展望。     

质子交换膜燃料电池膜电极耐久性的提升

质子交换膜燃料电池由于具有能量转换效率高、操作温度低、环境友好等优点而备受人们关注。随着2014年丰田发布燃料电池电动汽车Mirai,带来了新一轮燃料电池及燃料电池汽车的产业化热潮。然而,提升质子交换膜燃料电池的寿命,开发新一代长寿命燃料电池膜电极及燃料电池仍然是本领域的挑战性课题。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池最核心的部件,其耐久性直接决定着燃料电池的寿命。MEA主要由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层三部分组成。本文从质子交换膜、催化剂及载体、气体扩散层三个方面介绍了近年来国内外在提升燃料电池膜电极的寿命(耐久性)方面所做的工作,并对未来的相关研究和发展做了述评及展望。     

全钒氧化还原液流电池用Nafion/有机硅复合膜

采用原位化学反应的方法制备了Nafion/有机硅复合膜, 并对所制备复合膜的离子交换容量(IEC)、电导率和水渗透率等进行了测试. 结果表明, 所制备复合膜具有优异的阻水性能. 以Nafion/有机硅复合膜作为离子交换膜的钒电池的库仑效率(CE)和能量效率(EE)都得到了大幅度提高. 此外, 以所制备复合膜为离子交换膜的VRB单电池充放电80次后性能几乎无衰减, 说明所制备Nafion/有机硅复合膜即使在强酸和强氧化性的钒电池体系中也可以稳定使用, 表明Nafion/有机硅复合膜是一种性能优异的适用于全钒氧化还原液流电池的新型质子交换膜.     

荷电膜的膜电位研究进展

膜电位的测定是表征荷电膜的传递现象的重要参数之一。本文简要介绍了膜电位理论基础,包括T. M. S.理论和不可逆热力学理论。分别阐述了关于离子交换膜、双极膜、两性膜以及复合膜的膜电位的最新进展,并提出今后的发展方向。     

透氢钯复合膜的原理、制备及表征

钯及其合金膜由于具有透氢性好和耐高温的特点，除了用作氢气分离和纯化器外，还可以用作脱氢、制氢等反应的反应器，以实现反应和分离的一体化，并提高转化率和选择性。本文综述了钯基复合膜的原理、制备及表征，并重点介绍了本研究组的光催化镀膜工艺。     

高分子纳滤膜的研究及进展

对高分子纳滤膜的发展背景以及国内外在这一领域的研究的研究进展作了详细的介绍。     

透氢钯复合膜的原理、制备及表征

钯及其合金膜由于具有透氢性好和耐高温的特点,除了用作氢气分离和纯化器外,还可以用作脱氢、制氢等反应的反应器,以实现反应和分离的一体化,并提高转化率和选择性。本文综述了钯基复合膜的原理、制备及表征,并重点介绍了本研究组的光催化镀膜工艺。     

纳米复合膜在膜分离领域的研究进展

基于纳米材料的独特性质,将其引入高分子膜所制得的纳米复合滤膜有望解决目前制约膜技术发展的“上限平衡”问题。 本文综述了碳纳米管、石墨烯、SiO2、TiO2、分子筛、ZrO2以及纳米银颗粒等纳米复合膜在膜分离领域的研究进展。 这些纳米材料对于提高复合膜的机械稳定性、亲水性、选择性、渗透性及抗污染能力等有显著的效果。 此外,对纳米复合膜的发展与应用做了展望,也对其研究中存在的问题和解决方法进行了阐述。     

Preparation of Zeolite X Membranes on Porous Ceramic Substrates with Zeolite Seeds

Zeolite X membranes were investigated by in-situ hydrothermal synthesis on porous ceramic tubes precoated with zeolite X seeds or precursor amorphous aluminosilicate, and porous α-Al2O3 ceramic tubes with a pore size of 50 200 nm were employed as supports. Zeolite X crystals were synthesized by the classic method and mixed into deionized water as a slurry with a concentration of 0.2 0.5wt%, having a range of crystal sizes from 0.2 to 2μm. Crystal seeds were pressed into the pores near the inner surface of the ceramic tubes, and crystallization took place at 95℃ for 24-96 h. It was also investigated that Boehmite sol added with zeolite X seeds was precoated on ceramic supports to form a layer of γ-Al2O3 by heating, and hydrothermal crystallization could then take place to prepare the zeolite membranes on the composite ceramic tubes. The crystal species were characterized by XRD, and the morphology of the supports subjected to crystallization was characterized by SEM. The composite zeolite membranes have zeolitic top-layers with a thickness of 10-25 μm, and zeolite crystals can be intruded into pores of the supports as deeply as 100μm. The experimental results indicate that the precoating of zeolitic seeds on supports is beneficial to crystallization by shortening the synthesis time and improving the membrane strength. The resulting zeolite X membrane shows permselectivity to tri-n-butylamine((C4H9)3N) over perfluro-tributyl-amine ((C4Fg)3N), and a permeance ratio of 57 for ((C4Hg)3N to (C4F9)3N could be reached at 350℃. Permeances of BZ, EB and TIPB through the zeolite membrane were also measured and were found to slightly increase with temperature.     

氯化锂为添加剂制得的疏水聚偏氟乙烯不对称微孔膜的形态结构及其膜蒸馏性能

结合膜的形态结构研究了以 LiCl为添加剂制得的疏水 PVDF膜的膜蒸馏性能。与来用水溶液高分子添加剂制得的PVDF微孔膜相比,膜蒸馏性能有了较大提高,尤其具有更高的截留率。制得的微孔膜的蒸馏通量已接近商品膜的膜蒸馏通量,表明以LiCl为添加剂制得的PVDF疏水微孔膜是一种适用于膜蒸馏的较理想的疏水微孔膜。     

PREPARATION OF SILICALITE-1 AND ZSM-5 ZEOLITE/ CERAMIC COMPOSITE MEMBRANES

ＰＲＥＰＡＲＡＴＩＯＮＯＦＳＩＬＩＣＡＬＩＴＥ┐１ＡＮＤＺＳＭ┐５ＺＥＯＬＩＴＥ／ＣＥＲＡＭＩＣＣＯＭＰＯＳＩＴＥＭＥＭＢＲＡＮＥＳＺｈａｎｇＬｉｘｉｏｎｇ，ＪｉａＭｅｎｇｄｏｎｇ，ＭｉｎＥｎｚｅ（ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅ...     

Preparation of Zeolite X Membranes on Porous Ceramic Substrates with Zeolite Seeds

Zeolite X membranes were investigated by in-situ hydrothermal synthesis on porous ceramic tubes precoated with zeolite X seeds or precursor amorphous aluminosilicate, and porous α-Al2O3 ceramic tubes with a pore size of 50-200 nm were employed as supports. Zeolite X crystals were synthesized by the classic method and mixed into deionized water as a slurry with a concentration of 0.2-0.5wt%, having a range of crystal sizes from 0.2 to 2μm. Crystal seeds were pressed into the pores near the inner surface of the ceramic tubes, and crystallization took place at 95℃ for 24-96 h. It was also investigated that Boehmite sol added with zeolite X seeds was precoated on ceramic supports to form a layer of r-Al2O3 by heating, and hydrothermal crystallization could then take place to prepare the zeolite membranes on the composite ceramic tubes. The crystal species were characterized by XRD, and the morphology of the supports subjected to crystallization was characterized by SEM. The composite zeolite membranes hav     

Theoretical analysis of the performance of composite membrane consisting of the catalytic and nanofiltration layers

A model of the composite membrane consisting of the catalytic layer (CL) and the nanofiltration layer (NFL) is presented. It has been found that applying NFL on the permeate side of CL it is possible to enhance substantially the conversion of substrate into the product. The best performance is obtained for high retention of substrate and low of product. At higher values of volume flow and/or longer catalytic path the retention degree of product becomes negligible. The presence of NFL enhances the influence of distribution of the reaction rate constant, k, on the conversion ratio. Comparing to k = constant the positive effect is obtained if k increases along the catalytic pore, whereas negative—if k decreases.