离子交换膜
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离子传导
电解过程的分割介质 扩散渗析 加压渗析、热渗析 电池 燃料电池 渗透汽化 亲水性 去湿 传感器 促进传递 固定载体 修饰电极
离子交换膜发展时间线
60年代质子交换膜燃 料电池PEMFC出现并 应用于航天 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
倒极电渗析EDR 商业离子交换 电去离子EDI Donnan电势的 Nafion膜 膜和电渗析器 提出 Bacon首次制备两 氯碱电极 出现 第一个电膜过 性离子膜和镶嵌 膜 程 膜 双极膜
特点 应用 电渗析 举例 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 氯碱生产 废酸废碱回收 脱盐或浓缩 碱性电池、氧化还原电 池、浓差电池 氢-氧、甲醇-氧 有机溶剂脱除 气体除湿 气体传感器 酸性气体去除
1. 离子导电性 2. 亲水性能 3. 固定载体（离子交换基团）
A B C
跳跃机理 运载机理 表面机理
• Kreuer K D. Ion conducting membranes for fuel cells and other electrochemical devices[J]. Chemistry of Materials, 2013, 26(1): 361-380. • He G, Li Y, Li Z, et al. Journal of Power Sources, 2014, 248: 951-961. • Park C H, Lee S Y, Hwang D S, et al. Nanocrack-regulated self-humidifying membranes[J]. Nature, 2016, 532(7600): 480-483.
水是质子传Βιβλιοθήκη Baidu的载体，同时参与跳跃机理和运载机理
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
• Li N, Lee S Y, Liu Y L, et al. Energy & Environmental Science, 2012, 5(1): 5346-5355. • Li N, Yan T, Li Z, et al. Comb-shaped polymers to enhance hydroxide transport in anion exchange membranes[J]. Energy & Environmental Science, 2012, 5(7): 7888-7892.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
高的离子传导率 低的燃料渗透率 良好的机械性能 良好的热稳定性和水解稳定性 良好的电化学稳定性 良好的尺寸稳定性 容易制备成MEA 低廉的价格
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
AEM存在的主要 问题
甲醇渗透严重
丰田公司PEMFC汽 车Mirai上市
1890
1911
1925
1932
1940
1950
1962
1970
1978
1988-2002
2010
2014
电膜的首次工 业应用 首次制备离子 膜 电渗析首次应用 于海水制盐 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
离子交换膜燃料电池
应用于燃料电池的离子交换膜应该具备的性质
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
• Hasani-Sadrabadi M M, Dashtimoghadam E, Majedi F S, et al. Nanoscale, 2013, 5(23): 11710-11717. • Zarrin H, Higgins D, Jun Y, et al. The Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115(42): 20774-20781. • Li Z, He G, Zhao Y, et al. Journal of Power Sources, 2014, 262: 372-379.
耐受性差
阴离子传导率低
碱稳定性不足
解决PEM存在问题的一些方法
采用能够抑制甲醇渗 优化膜内的水环境同 杂化膜构建连续离子 透的聚合物或者进行 时减少溶胀 传递通道 表面涂覆改性
微相分离促进质子传 基于石墨烯等二维材 递 料的新型离子交换膜
优化膜内水环境
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
谢谢大家
THANK YOU
离子交换膜
徐明钊
离子交换膜简介
• 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。
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
电解过程的分割介质 扩散渗析 加压渗析、热渗析 电池 燃料电池 渗透汽化 亲水性 去湿 传感器 促进传递 固定载体 修饰电极
离子交换膜发展时间线
60年代质子交换膜燃 料电池PEMFC出现并 应用于航天 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
倒极电渗析EDR 商业离子交换 电去离子EDI Donnan电势的 Nafion膜 膜和电渗析器 提出 Bacon首次制备两 氯碱电极 出现 第一个电膜过 性离子膜和镶嵌 膜 程 膜 双极膜
特点 应用 电渗析 举例 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 氯碱生产 废酸废碱回收 脱盐或浓缩 碱性电池、氧化还原电 池、浓差电池 氢-氧、甲醇-氧 有机溶剂脱除 气体除湿 气体传感器 酸性气体去除
1. 离子导电性 2. 亲水性能 3. 固定载体（离子交换基团）
A B C
跳跃机理 运载机理 表面机理
• Kreuer K D. Ion conducting membranes for fuel cells and other electrochemical devices[J]. Chemistry of Materials, 2013, 26(1): 361-380. • He G, Li Y, Li Z, et al. Journal of Power Sources, 2014, 248: 951-961. • Park C H, Lee S Y, Hwang D S, et al. Nanocrack-regulated self-humidifying membranes[J]. Nature, 2016, 532(7600): 480-483.
水是质子传Βιβλιοθήκη Baidu的载体，同时参与跳跃机理和运载机理
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
• Li N, Lee S Y, Liu Y L, et al. Energy & Environmental Science, 2012, 5(1): 5346-5355. • Li N, Yan T, Li Z, et al. Comb-shaped polymers to enhance hydroxide transport in anion exchange membranes[J]. Energy & Environmental Science, 2012, 5(7): 7888-7892.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
高的离子传导率 低的燃料渗透率 良好的机械性能 良好的热稳定性和水解稳定性 良好的电化学稳定性 良好的尺寸稳定性 容易制备成MEA 低廉的价格
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
AEM存在的主要 问题
甲醇渗透严重
丰田公司PEMFC汽 车Mirai上市
1890
1911
1925
1932
1940
1950
1962
1970
1978
1988-2002
2010
2014
电膜的首次工 业应用 首次制备离子 膜 电渗析首次应用 于海水制盐 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
离子交换膜燃料电池
应用于燃料电池的离子交换膜应该具备的性质
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
• Hasani-Sadrabadi M M, Dashtimoghadam E, Majedi F S, et al. Nanoscale, 2013, 5(23): 11710-11717. • Zarrin H, Higgins D, Jun Y, et al. The Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115(42): 20774-20781. • Li Z, He G, Zhao Y, et al. Journal of Power Sources, 2014, 262: 372-379.
耐受性差
阴离子传导率低
碱稳定性不足
解决PEM存在问题的一些方法
采用能够抑制甲醇渗 优化膜内的水环境同 杂化膜构建连续离子 透的聚合物或者进行 时减少溶胀 传递通道 表面涂覆改性
微相分离促进质子传 基于石墨烯等二维材 递 料的新型离子交换膜
优化膜内水环境
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
谢谢大家
THANK YOU
离子交换膜
徐明钊
离子交换膜简介
• 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。
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