一种在微重力环境下制备有机/无机杂化电活性离子交换膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种在微重力环境下制备有机/无机杂化电活性离子交换膜的方法，将无机纳、微米颗粒悬浮于含导电高分子单体的电解液中，在重力场及电解液的浮力双重作用下在电极表面产生微重力环境；通过单极脉冲电沉积技术控制导电高分子的聚合及其对纳、微米无机粒子的静电吸引强度，结合无机纳、微米粒子在微重力环境下的缓慢沉降效应，在水平放置的导电基体上合成由三维多孔网络结构导电聚合物包裹无机粒子的有机/无机杂化电活性离子交换膜。本发明专利技术解决了传统电化学方法难以合成稳定的有机/无机杂化电活性离子交换功能膜，特别是含有不导电无机离子交换功能颗粒的杂化电活性膜的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在微重力环境下制备有机/无机杂化电活性离子交换膜的方法，属于电活性功能材料的制备

技术介绍
电活性材料（ElectroactiveMaterial,EM）是一种电子-离子的混合导体，处于完全氧化或还原状态时呈现绝缘体特征，在氧化和还原状态之间转换时能够从溶液中可逆地置入和释放离子（离子交换或充放电过程）成为导体。EM在离子选择性电极、离子交换膜、化学/生物传感器、二次电池、超级电容器、电催化以及电致变色器件等新
有着广阔的应用前景。具备离子交换功能的EM主要包括有机导电聚合物、无机变价金属配位化合物以及有机无机杂化材料，其中有机导电聚合物（CP）的代表为聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）及聚乙烯二氧噻吩（PEDOT）等，一般具备阴离子交换特征；而无机EM的代表为普鲁士兰的过渡金属类似物（MHCF），可作为阳离子交换基体。EM的离子交换功能取决于其加工成膜之后的膜结构及其电荷传递性能，目前所研发的电活性功能膜主要存在以下问题：（1）单一CP膜的离子交换容量有限且氧化还原过程的可逆及稳定性较差；（2）单一无机EM晶格结构难以调控，因此离子交换功能单一、扩散阻力较大且导电性能有待提高。而将有机CP与无机EM通过复合制备成有机/无机杂化电活性功能材料之后，可以借助二者的结构复合、功能复合使该类杂化材料兼具有机材料的设计多样性、易加工性和无机材料的优良选择性、高离子交换容量、高稳定性的优点，而且可望产生协同优化效应甚至新的功能。然而，由于具备离子交换功能的无机EM种类相对较少，难满足在不同目标离子选择性识别和分离过程中的复杂性和多样性要求。因此，为拓宽有机/无机杂化电活性材料的范围，可以将传统惰性（不导电）无机离子交换材料与有机CP复合制备成一类新型的有机/无机杂化电活性功能材料。结合传统惰性无机离子交换材料（借助其独特的晶格结构）对不同目标离子的选择识别能力以及有机CP的优良电活性和成膜性，可以使这一类杂化电活性材料具备对靶向离子的选择识别性能，从而极大地增加该类材料在离子选择性电极、离子交换膜、二次电池、超级电容器和电催化等领域的应用前景。有机/无机杂化电活性功能材料的合成方法主要包括化学法和电化学合成法。其中，采用化学法可以制备出混合均匀的杂化材料，但是通过该方法合成的杂化材料通常以粉末形态存在不利于成膜，而且难以在纳、微米尺度实现有效的结构调控，从而极大地限制了该类杂化材料在电化学领域中的广泛应用。相较而言，电化学方法可以将无机EM和有机CP杂化电活性功能膜均匀地沉积在导电基体上，而且操作简便，条件易控制，合成的电活性材料导电性和力学性能都比较好。然而，在惰性无机离子交换材料与有机CP的杂化体系中，则很难通过普通的电化学路线将二者有效地合成杂化电活性膜。具体而言，大多数对目标离子具有优良选择性能的无机离子交换材料大多以纳米（或微米）级颗粒形式存在，在电解质溶液中沿顺重力场方向沉降易形成沉淀，垂直放置的电极表面产生的静电吸引力远小于颗粒的净重力（重力与浮力之差），因此，很难通过电极表面已生成导电聚合物与无机颗粒之间的静电吸引作用来制得稳定的复合膜；而在水平放置的电极基体表面由于无机颗粒尺寸较大易于沉降，大量堆积在电极表面也难以形成稳定的有机/无机杂化膜，而且惰性无机离子交换颗粒的沉降速率和有机CP的聚合速率不易调控，难以在纳、微米尺度上实现充分地杂化。在太空微重力环境下进行材料合成，通过改变材料成分和微结构可制备出各种性能优异的晶体、金属与合金、复合材料、超薄薄膜等。但迄今为止人类可利用的空间资源仍然十分有限，空间实验的代价高昂、机会稀少，因此地面模拟空间或微重力环境进行材料合成与加工具有不可替代的重要意义。在地面获得“微重力”的手段主要有落塔或落井、抛物线飞行的飞机、各种空间飞行器以及悬浮水槽和气浮系统等，但此类设备一般庞大复杂、造价昂贵。其中悬浮水槽是利用水的浮力来抵消目标物的重力作用，但主要用于宇航员的培训。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种在微重力环境下制备有机/无机杂化电活性离子交换膜的方法，解决了传统电化学方法难以合成稳定的有机/无机杂化电活性离子交换功能膜，特别是含有不导电无机离子交换功能颗粒的杂化电活性膜的问题。本专利技术通过溶液悬浮系统产生连续的“微重力”环境，在普通实验室内实现了模拟空间材料合成环境。通过严格控制电解质溶液密度和粘度以及相应无机颗粒的形状和尺寸，可使纳、微米级无机颗粒悬浮于电解质溶液中，或者使无机颗粒在溶液中顺重力场方向产生极其缓慢的沉降，在水平放置电极实现模拟空间环境中的“微重力”状态，再结合单极脉冲电沉积技术获得了性能稳定的有机/无机杂化电活性离子交换膜。本专利技术提供了一种在微重力环境下制备有机/无机杂化电活性离子交换膜的方法，将无机纳、微米颗粒悬浮于含导电高分子单体的电解液中，在重力场及电解液的浮力双重作用下在电极表面产生微重力环境；通过单极脉冲电沉积技术控制导电高分子的聚合及其对纳、微米无机粒子的静电吸引强度，结合无机纳、微米粒子在微重力环境下的缓慢沉降效应，在水平放置的导电基体上合成由三维多孔网络结构导电聚合物包裹无机粒子的有机/无机杂化电活性离子交换膜。上述在微重力环境下制备有机/无机杂化电活性离子交换膜的方法，包括以下步骤：（1）将无机纳、微米颗粒置入去离子水溶液中配置成浓度为0.015~0.3mol/L的悬浮溶液A；（2）将导电高分子单体溶于去离子水溶液中配置成浓度为0.015~0.3mol/L的水相溶液B；（3）将支持电解质溶于去离子水溶液中配置成浓度为0.3~3mol/L的水相溶液C；（4）将上述步骤（1）、（2）和（3）中配制成的A、B和C三种溶液等体积混合于反应器中，超声均匀，得溶液D；（5）采用三电极体系，在水平放置的导电基体上于溶液D中通过单极脉冲电沉积技术，脉冲次数为100~50000，获得有机/无机电活性杂化膜；采用的三电极体系分别是：工作电极是导电基体；对电极是惰性电极；参比电极是饱和甘汞电极；（6）将上述步骤（5）获得的有机/无机电活性杂化膜取出，由蒸馏水冲洗，常温干燥，即制得有机/无机杂化电活性离子交换膜材料。上述制备方法中，所述的无机纳、微米颗粒是具有离子交换功能的惰性不导电层状磷酸盐、锰酸盐、沸石分子筛、双金属氢氧化物或金属有机骨架材料中的一种；颗粒尺寸为10~5000nm。上述制备方法中，所述的导电高分子单体是苯胺、吡咯、噻吩或3,4-乙烯二氧噻吩中的一种。上述制备方法中，所述的支持电解质是盐酸、硫酸、磷酸、高氯酸、氯化钠、硫酸钠、氯化钾或硫酸钾中的一种。上述制备方法中，所述的导电基体是不锈钢片、碳纸、碳毡、铂片或金片中的一种；所述惰性电极是铂片或金片。上述制备方法中，所述的单极脉冲电沉积技术为：单次脉冲由脉冲开时间和脉冲截断时间组成，在脉冲开时间阶段，施加恒定沉积电位0.6~1.1V，使导电高分子单体在电极表面氧化聚合；随后控制脉冲截断时间内电流为零，脉冲次数为100本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在微重力环境下制备有机/无机杂化电活性离子交换膜的方法，其特征在于：将无机纳、微米颗粒悬浮于含导电高分子单体的电解液中，在重力场及电解液的浮力双重作用下在电极表面产生微重力环境；通过单极脉冲电沉积技术控制导电高分子的聚合及其对纳、微米无机粒子的静电吸引强度，结合无机纳、微米粒子在微重力环境下的缓慢沉降效应，在水平放置的导电基体上合成由三维多孔网络结构导电聚合物包裹无机粒子的有机/无机杂化电活性离子交换膜。

【技术特征摘要】
1.一种在微重力环境下制备有机/无机杂化电活性离子交换膜的方法，其特征在于：将无机纳、微米颗粒悬浮于含导电高分子单体的电解液中，在重力场及电解液的浮力双重作用下在电极表面产生微重力环境；通过单极脉冲电沉积技术控制导电高分子的聚合及其对纳、微米无机粒子的静电吸引强度，结合无机纳、微米粒子在微重力环境下的缓慢沉降效应，在水平放置的导电基体上合成由三维多孔网络结构导电聚合物包裹无机粒子的有机/无机杂化电活性离子交换膜。
2.根据权利要求1所述的在微重力环境下制备有机/无机杂化电活性离子交换膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将无机纳、微米颗粒置入去离子水溶液中配置成浓度为0.015~0.3mol/L的悬浮溶液A；
（2）将导电高分子单体溶于去离子水溶液中配置成浓度为0.015~0.3mol/L的水相溶液B；
（3）将支持电解质溶于去离子水溶液中配置成浓度为0.3~3mol/L的水相溶液C；
（4）将上述步骤（1）、（2）和（3）中配制成的A、B和C三种溶液等体积混合于反应器中，超声均匀，得溶液D；
（5）采用三电极体系，在水平放置的导电基体上于溶液D中通过单极脉冲电沉积技术，获得有机/无机电活性杂化膜；采用的三电极体系分别是：工作电极是导电基体；对电极是惰性电极；参比电极是饱和甘汞电极；
（6）将上述步骤（5）获得的有机/无机电活性杂化膜取出，由蒸馏水冲洗，常温干燥，即制得有机/无机杂化电活性离子交换膜材料。
3.根据权利要求1所述的在微重力环境...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝晓刚，杜晓，郝元川，李莎莎，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14