一种表面负载石墨炔的双极膜及其制备方法与流程

本发明涉及一种双极膜，尤其是一种表面负载石墨炔的双极膜及其制备方法。

背景技术：

双极膜是由阳离子交换膜层、阴离子交换膜层和中间界面层组成，在直流电场作用下，中间界面层的水发生解离，生成氢离子和氢氧根离子并分别进入阴、阳极室。双极膜中间界面层水解离效率的大小是度量双极膜性能优越性的关键因素之一，因此，提高中间界面层水解离效率就尤为重要。在双极膜水解离装置中，双极膜通常被机械地固定在阴、阳极室之间，很容易引起双极膜受力不均而变形，导致双极膜的工作寿命缩短。另外，在双极膜水解离过程中产生大量的氢离子和氢氧根离子，使得阴、阳极室的ph会不断变化，这就要求双极膜能在不同ph范围的电解液中工作。而且电解液中含有大量的盐离子，有机物等有害物质，极易对双极膜造成污染，导致双极膜性能下降。

技术实现要素：

本发明主要针对现有技术中双极膜水解离效率低、水解离电压大，双极膜的工作寿命短，容易被电解液污染等缺点，提供一种表面负载石墨炔的双极膜及其制备方法。

本发明为解决上述问题而采取的技术方案为：

一种表面负载石墨炔的双极膜，包括阳离子交换膜层和阴离子交换膜层，在阳离子交换膜层和阴离子交换膜层的外侧表面上分别负载一层石墨炔层。

作为本发明的一种优选实施方式，本发明所述的每侧石墨炔层的厚度为0.5-2.0μm。

作为本发明的一种优选实施方式，本发明所述的阳离子交换膜层、阴离子交换膜层和石墨炔层的总厚度为60-100nm。

作为本发明的一种优选实施方式，本发明所述的石墨炔是由cac2和phbr6共轭连接形成的具有二维平面网络结构的全碳高分子，具有三角形原子孔，单原子厚的网状纤维结构,其有效孔径为

本发明表面负载石墨炔的双极膜的制备方法，将石墨炔稀溶液用吸附、涂层、电泳方法固定在双极膜两侧表面，晾干制成

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明制备的双极膜，采用石墨炔负载于双极膜两侧，能够阻止电解液中的na+、cu²+、cl-、so4²-、c6h6、ccl4通过，防止电解液污染双极膜，但可以透过水分子，有利于促进双极膜中间界面层水解离。

2、本发明制备的双极膜，采用石墨炔负载于双极膜两侧，石墨炔良好的导电性能有利于降低双极膜水解离电压，节约了能耗。

3、本发明制备的双极膜，采用石墨炔负载于双极膜两侧，使得双极膜不与电解液直接接触，避免了电解液中盐离子，有机物等有害物质对双极膜造成污染，导致双极膜性能下降。

4、本发明制备的双极膜，采用坚实的石墨炔层负载于双极膜两侧，不仅提高了双极膜的化学稳定性，而且其杨氏模量、拉升强度等机械性能也获得提高。

5、本发明制备的双极膜，采用石墨炔负载于双极膜两侧，化学性能稳定的碳材料石墨炔能够适应不同ph范围的电解液，有利于延长双极膜的工作寿命。

6、本发明制备的双极膜进行水解离时，在电流密度为60-90macm-2下，水解离电压相对于未负载石墨炔层的双极膜降低了0.2-1.2v，水解离效率提高了5.3％-29.4％，使用寿命提高了3-5倍。

附图说明

附图1是放大的双极膜结构以及在无机盐溶液和有机溶剂混合电解液中的水解离示意图。

双极膜由石墨炔膜1、阴离子交换膜2、阳离子交换膜3和中间界面层4组成，在直流电场作用下，双极膜中间界面层的水发生解离，生成h⁺和oh^-离子。电解液中的水分子可以透过石墨炔膜进入到双极膜中间界面层，及时补充消耗掉的水，但na⁺、cu²⁺、cl^-、so4^2-、c6h6、ccl4等不能透过石墨炔膜进入。

具体实施方式

实施例1

称取6.0gphbr6、4.0gcac2和直径大小不同的不锈钢球加入到盛有100毫升无水乙醇的不锈钢罐中，采用行星球磨机以450转/分的速度操作15小时，将混合物洗涤、过滤、干燥后得到黑色粉末石墨炔，将石墨炔粉末配成稀溶液，采用涂层的方法固定在双极膜两侧表面，自然晾干，得到总厚度为80.8nm的双极膜。

为进一步表明本发明的双极膜的效果，本发明采用电子万能试验机对其杨氏模量、拉伸强度、最大负载和断裂伸长率的机械性能进行测试。同时，将本发明双极膜作为阴、阳极室的隔膜，在外加直流电场作用下进行水解离，对双极膜的水解离电压、水解离效率，以及双极膜的使用寿命进行研究。

实验结果显示，采用坚实的石墨炔层负载于双极膜两侧，其杨氏模量、拉升强度等机械性能明显提高(见表1)。将负载石墨炔层的双极膜进行水解离，在电流密度为60macm^-2下，水解离电压相对于未负载石墨炔层的双极膜降低了0.4v，水解离效率提高了13.4％，使用寿命提高了3.2倍。

表1双极膜机械性能测试

实施例2

称取9.0gphbr6、6.0gcac2和直径大小不同的不锈钢球加入到盛有150毫升无水乙醇的不锈钢罐中，采用行星球磨机以450转/分的速度操作18小时，将混合物洗涤、过滤、干燥后得到黑色粉末石墨炔。将石墨炔粉末配成稀溶液，采用电泳的方法固定在双极膜两侧表面，自然晾干，得到总厚度为92.3nm的双极膜。采用电子万能试验机对其杨氏模量、拉升强度等机械性能进行测试。同时，将本发明双极膜作为阴、阳极室的隔膜，在外加直流电场作用下进行水解离，对双极膜的水解离电压、水解离效率，以及双极膜的使用寿命进行研究。

实验结果显示，采用坚实的石墨炔层负载于双极膜两侧，杨氏模量、拉伸强度、最大负载和断裂伸长率的机械性能进行测试，结果表明各种机械性能都有很大程度的提高(见表2)。将负载石墨炔层的双极膜进行水解离，在电流密度为80macm^-2下，水解离电压相对于未负载石墨炔层的双极膜降低了0.6v，水解离效率提高了17.2％，使用寿命提高了3.6倍。

表2双极膜机械性能测试

实施例3

称取13.5gphbr6、9.0gcac2和直径大小不同的不锈钢球加入到盛有150毫升无水乙醇的不锈钢罐中，采用行星球磨机以450转/分的速度操作18小时，将混合物洗涤、过滤、干燥后得到黑色粉末石墨炔。将石墨炔粉末配成稀溶液，采用电泳的方法固定在双极膜两侧表面，自然晾干，得到的总厚度为95.6nm的双极膜。采用电子万能试验机对其杨氏模量、拉升强度等机械性能进行测试。同时，将本发明双极膜作为阴、阳极室的隔膜，在外加直流电场作用下进行水解离，对双极膜的水解离电压、水解离效率，以及双极膜的使用寿命进行研究。

实验结果显示，采用坚实的石墨炔层负载于双极膜两侧，其杨氏模量、拉伸强度、最大负载和断裂伸长率等机械性能明显提高(见表3)。将负载石墨炔层的双极膜进行水解离，在电流密度为90macm^-2下，水解离电压相对于未负载石墨炔层的双极膜降低了0.65v，水解离效率提高了18.6％，使用寿命提高了4.2倍。

表3双极膜机械性能测试

上述本发明具体实施方式1-3，所实施的一种表面负载石墨炔的双极膜及其制备方法，其应用是以所述双极膜作为隔膜，在光电作用下进行水解离，具体方法是：以表面负载石墨炔的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜，配制无机盐溶液和有机溶剂混合电解液，金属及其氧化物作为阳极，半导体材料及过渡金属氧化物作为阴极，采用直流稳压电源提供外加电压0.5～2.0v，350w氙灯作为光源，在光电催化作用下进行水解离，并测试其水解离电压、水解离效率、以及双极膜在不同ph电解液下的使用寿命。其中，所述的金属及其氧化物是钛基氧化物、pt、pd中的一种；所述的无机盐溶液和有机溶剂混合电解液主要成分为na⁺、cu²⁺、cl^-、so4^2-、c6h6、ccl4等；所述的半导体材料及过渡金属氧化物是c3n4，biocl，bi2o2co3,biobr，mos2,mose2,ws2,wse2,zno，cu2o，cuo，tio2,wo3中的一种或几种复合。