一种离子选择性的纳米通道膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种离子选择性的纳米通道膜及其制备方法，所述纳米通道膜包括结合在一起两层膜，一层为嵌段共聚物1膜，另一层为嵌段共聚物2膜；所述纳米通道膜的厚度为亚微米级别，其具有规则的纳米级通道分布和高的孔隙率，通道直径在25纳米以下，并且两层膜有着不同的表面电荷分布。本发明专利技术的膜具有超高离子通量，超强离子选择性，该膜有着亚微米级别的厚度，表现出了很好的渗透能量转换性能。

【技术实现步骤摘要】
一种离子选择性的纳米通道膜及其制备方法
本专利技术属于能源
，具体地，本专利技术涉及一种离子选择性的纳米通道膜及其制备方法。
技术介绍
随着人类社会的高速发展，不可再生的化石能源濒临枯竭，面对世界范围内的能源危机，人们必须要利用新方法、新技术来寻找和利用自然界广泛存在的可再生清洁能源。渗透能量是一种存在于不同浓度水体系中的化学电位差能。目前，传统的渗透能量收集设备(即反向电渗析设备)是由一系列交错排列的阴离子交换膜和阳离子交换膜组成的，离子传输过程中所遇到的空间位阻较大，这极大限制了能量转化设备的能源输出密度；另外昂贵的制造成本以及复杂的制作工艺也制约了其的大规模推广和普及使用。与传统的离子交换膜相比，具有较好离子选择性以及较高离子通量的离子通道薄膜在渗透能利用方面展现了较好的潜力。然而，现在制备的离子通道薄膜的离子通量以及选择性由于其自身厚度以及功能团的限制远远没有达到预期，也制约了其应用发展。因此，急需发展一种超薄的，具有高离子通量同时兼顾高选择性的离子通道薄膜。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种离子选择性的纳米通道膜，该膜具有超高离子通量，超强离子选择性，该膜有着亚微米级别的厚度，表现出了很好的渗透能量转换性能。为达到上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：本专利技术利用两种性质不同的嵌段共聚物分子，通过杂化方式来构筑非对称的聚合物薄膜。一种离子选择性的纳米通道膜，所述纳米通道膜包括结合在一起两层膜，一层为嵌段共聚物1膜，另一层为嵌段共聚物2膜；所述纳米通道膜的厚度为亚微米级别，具有规则的纳米级通道分布，纳米级通道的个数为1010/cm2级别，通道直径在25纳米以下，并且两层膜有着不同的表面电荷分布。优选地，所述嵌段共聚物1膜由聚(氧化乙烯-甲基丙烯酸酯))采用悬涂法、浸渍提拉法或刮刀法制成。优选地，所述嵌段共聚物2膜由聚(苯乙烯-四乙烯基吡啶)、聚(苯乙烯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯)、聚(苯乙烯-N-异丙基丙烯酰胺)、聚(苯乙烯-氧化乙烯)中的任一种采用悬涂法、浸渍提拉法或刮刀法制成。本专利技术还提供了上述的一种离子选择性的纳米通道膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)在固态基底上成膜制备牺牲层，得到涂有牺牲层的固态基底；2)嵌段共聚物1溶于选择性溶剂1，在涂有牺牲层的固态基底上成膜形成嵌段共聚物1膜；3)热处理以及光处理嵌段共聚物1膜；4)嵌段共聚物2溶于选择性溶剂2，在步骤3)处理后的嵌段共聚物1膜上再次成膜形成嵌段共聚物2膜；5)采用仅溶解牺牲层的选择性溶剂3溶解步骤1)中的牺牲层，剥离出超薄离子选择性的纳米通道膜。优选地，所述固体基底为硅片。优选地，所述牺牲层采用聚苯乙烯磺酸钠或醋酸纤维素制备。优选地，所述嵌段共聚物1为聚(氧化乙烯-甲基丙烯酸酯)；所述选择性溶剂1为甲苯、三氯甲烷、二氯甲烷以及四氢呋喃中的一种。优选地，所述步骤3)中的热处理以及光处理具体为：热处理的温度在60到150摄氏度之间，热处理时间≥2个小时；光处理波长在330到400纳米之间，光强度在100到500毫瓦每平方厘米之间，光照时间≥30分钟。优选地，所述嵌段共聚物2为聚(苯乙烯-四乙烯基吡啶)、聚(苯乙烯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯)、聚(苯乙烯-N-异丙基丙烯酰胺)、聚(苯乙烯-氧化乙烯)中的任一种；所述选择性溶剂2为三氯甲烷、二氯甲烷、甲苯、四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺中的一种或多种。优选地，所述步骤2)和步骤4)的成膜方法为悬涂法、浸渍提拉法、刮刀法中的一种。本专利技术中的上述步骤1)中的牺牲层是成膜后需要去除的，可以是水溶性的聚苯乙烯磺酸钠，也可以是可溶于丙酮的醋酸纤维素等，但是溶解牺牲层的溶剂一定不能对高分子聚合物膜产生影响，比如会影响薄膜的形貌。本专利技术中的上述步骤2)中所用的嵌段共聚物分子1是含有可光交联侧链的聚(氧化乙烯-甲基丙烯酸酯)。本专利技术中的上述步骤4)用于溶解嵌段共聚物的溶剂包括很多种，可以是三氯甲烷、甲苯、四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺等或者混合溶剂如四氢呋喃/二氯甲烷等，不同溶剂会造成不同的嵌段聚合物2薄膜表面形貌，进而影响器件性能。本专利技术中的上述步骤5)中所选用的剥离溶液取决于牺牲层的成分，可以是水，也可以是丙酮，但是其一定不能对高分子膜有溶解作用。本专利技术中的渗透能量转换装置(如图2所示)是一个封闭体系，左侧容器中装有高浓度的电解质溶液，对应于右侧容器中装有低浓度的电解质溶液。在左侧容器中设置有阳极或阴极，对应于在右侧容器中设置有阳极或阴极；并且左侧容器中设置的阳极或阴极的导线通向左侧容器外，对应于右侧容器中设置的阴极或阳极的导线通向右侧容器外。通过外接电流表以及负载电阻将电路连通。本专利技术中的所述的电解质为氯化钠，氯化钾，海水，河水。本专利技术中所述的电极为银氯化银电极或者铂电极。本专利技术的离子选择性的纳米通道膜有超薄的膜厚，厚度在亚微米尺度，可以大大减小离子的跨膜阻抗，提高离子的迁移速率，增大短路电流。同时该纳米通道膜有着超高的离子选择性，可以促进选择性的离子扩散以及扩散电势的产生，增大开路电压。通过优化两种嵌段共聚物分子的组成，在50倍浓度梯度下(模仿海水和河水混合)，我们可以将功率密度提高到4.53W/m2，这是目前世界上报道的最大值。附图说明图1是本专利技术离子选择性的纳米通道膜的制备流程。图2是本专利技术的渗透能量转换装置图。具体实施方式以下实施例仅是对本专利技术的技术方案作进一步的说明，而不是对本专利技术的技术方案进行限制。实施例1如图1所示，一种离子选择性的纳米通道膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：1)在固态基底上成膜制备牺牲层，得到涂有牺牲层的固态基底；将质量分数为5％的聚苯乙烯磺酸钠悬涂在硅片上，转速1600r/s，时间120s。2)嵌段共聚物1溶于选择性溶剂1，在涂有牺牲层的固态基底上成膜形成嵌段共聚物1膜；将质量分数为4％的聚(氧化乙烯-甲基丙烯酸酯)甲苯溶液悬涂于上述涂有聚苯乙烯磺酸钠牺牲层的硅片上，转速为1600r/s，时间60s。3)热处理以及光处理嵌段共聚物1膜；在80摄氏度高温下真空处理4小时，接下来用波长为380nm，光强为281mW/cm2的紫外光照射30分钟。4)与嵌段共聚物1性质不同的嵌段共聚物2溶于选择性溶剂2，在步骤3)处理后的嵌段共聚物1膜上再次成膜形成嵌段共聚物2膜；将嵌段共聚物聚(苯乙烯-四乙烯基吡啶)溶于选择性溶剂二氧六环中，质量分数为2％。将所配置的溶液悬涂于经过步骤3)处理后的嵌段共聚物1膜上，转速为2000r，时间为60s。5)采用仅溶解牺牲层的选择性溶剂3溶解步骤1)中的牺牲层，剥离出超薄离子选择性的纳米通道膜。将步骤4)所得的样品浸泡在去离子水中30分钟，溶解牺牲层，剥离复合膜即得到超薄离子选择性的纳米通道膜。本实施例所得纳米通道膜包括结合在一起两层膜，一层为聚(氧化乙烯-甲基丙烯酸酯)膜，另一层为聚(苯乙烯-四乙烯基吡啶)膜；所述纳米通道膜的厚度为亚微米级别，具有规则的纳米级通道分布，纳米级通道的个数为1010/cm2级别，通道直径在25纳米以下，并且两层膜有着不同的表面电荷分布。渗透能量转换性能测试。测试池子左侧放置0.5MNaCl(pH4.3)溶液，右侧放置0.01M本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子选择性的纳米通道膜，其特征在于，所述纳米通道膜包括结合在一起两层膜，一层为嵌段共聚物1膜，另一层为嵌段共聚物2膜；所述纳米通道膜的厚度为亚微米级别，具有规则的纳米级通道分布，纳米级通道的个数为1010/cm2级别，通道直径在25纳米以下，并且两层膜有着不同的表面电荷分布。

【技术特征摘要】
1.一种离子选择性的纳米通道膜，其特征在于，所述纳米通道膜包括结合在一起两层膜，一层为嵌段共聚物1膜，另一层为嵌段共聚物2膜；所述纳米通道膜的厚度为亚微米级别，具有规则的纳米级通道分布，纳米级通道的个数为1010/cm2级别，通道直径在25纳米以下，并且两层膜有着不同的表面电荷分布。2.根据权利要求1所述的一种离子选择性的纳米通道膜，其特征在于，所述嵌段共聚物1膜由聚(氧化乙烯-甲基丙烯酸酯)采用悬涂法、浸渍提拉法或刮刀法制成。3.根据权利要求1所述的一种离子选择性的纳米通道膜，其特征在于，所述嵌段共聚物2膜由聚(苯乙烯-四乙烯基吡啶)、聚(苯乙烯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯)、聚(苯乙烯-N-异丙基丙烯酰胺)、聚(苯乙烯-氧化乙烯)中的任一种采用悬涂法、浸渍提拉法或刮刀法制成。4.权利要求1所述的一种离子选择性的纳米通道膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)在固态基底上成膜制备牺牲层，得到涂有牺牲层的固态基底；2)嵌段共聚物1溶于选择性溶剂1，在涂有牺牲层的固态基底上成膜形成嵌段共聚物1膜；3)热处理以及光处理嵌段共聚物1膜；4)嵌段共聚物2溶于选择性溶剂2，在步骤3)处理后的嵌段共聚物1膜上再次成膜形成嵌段共聚物2膜；5)采用仅溶解牺牲层的选择性溶剂3溶解步骤1)中的牺牲层，剥离出超薄离子选择性的纳米通道膜。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：闻利平，张振，江雷，
申请(专利权)人：北京赛特超润界面科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11