一种非对称纳米孔道复合膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于介孔‑大孔材料的非对称纳米孔道复合膜及其制备方法和应用，所述复合膜包括一层具有介孔结构的蚕丝膜和一层具有大孔结构的膜材料；所述的非对称纳米孔道是指具有介孔结构的蚕丝膜中的部分介孔与具有大孔结构的膜材料中的部分大孔对应相通。本发明专利技术首次将蚕丝膜作为介孔材料，用于制作非对称纳米孔道复合膜，且蚕丝膜性能稳定、原料丰富、价格低廉、制备条件温和、操作简单。此外，本发明专利技术制得的非对称纳米孔道复合膜可作为盐差电池隔膜在盐差能发电系统中应用，具有长时间电流输出、宽pH范围应用、性能稳定、转化效率高、适用范围广的优势。

An Asymmetric Nanoporous Composite Membrane and Its Preparation and Application

The invention discloses an asymmetric nanoporous composite membrane based on mesoporous macroporous material and its preparation method and application. The composite membrane comprises a silk film with mesoporous structure and a membrane material with macroporous structure. The asymmetric nanoporous channel refers to a part of mesoporous in the silk film with mesoporous structure and a part of macroporous in the membrane material with macroporous structure. Correspondence is interlinked. For the first time, the silk film is used as a mesoporous material to make asymmetric nanoporous composite film, and the silk film has stable performance, rich raw materials, low cost, mild preparation conditions and simple operation. In addition, the asymmetric nanoporous composite membrane prepared by the invention can be used as a salt difference battery separator in the salt difference energy power generation system, and has the advantages of long time current output, wide pH range application, stable performance, high conversion efficiency and wide application range.

【技术实现步骤摘要】
一种非对称纳米孔道复合膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及纳米孔道复合膜领域，特别地涉及一种非对称纳米孔道复合膜及其制备方法和应用。
技术介绍
随着石油、煤矿、天然气等传统能源的不断消耗以及社会发展对能源需求的快速增长，从大自然中开采新型可再生和可持续的能源已成为人类解决能源需求的首要手段。在此背景下，存在于河水与海水交界水域中的盐差能，以其具有的储量大、易于获得、分布广泛等特点，在一定程度上有利于缓解能源枯竭的危机。为了捕获这种清洁的能源，科研人员设计了大量的能量转换器件，从而将这种盐差能转化为电能。在这种将盐差能转化为电能的系统中，纳米孔道膜材料作为最重要的组件之一，受到广泛的研究。现有的膜材料面临原料昂贵、制备工艺复杂等问题，如嵌段共聚物膜的合成产率较低，相关的有机反应需要控制严苛的制备条件；二硫化钼等无机膜的孔道刻蚀对技术的要求较高，需要用到离子轰击、聚焦离子束等工艺；高分子膜如PET膜，其刻蚀技术控制能力差，成本较高，刻蚀过程中还会产生大量的强酸强碱废液等。因此，需要开发出一种制备流程温和、原料丰富廉价、技术成熟、可以大规模推广、适用性范围广的纳米孔道膜以解决现有技术所存在的缺陷。
技术实现思路
本专利技术第一个目的在于提供一种基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜，包括有具有介孔结构的蚕丝膜，蚕丝膜性能稳定、原料丰富、并且价格低廉。本专利技术的第二个目的在于提供一种基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜的制备方法，该制备方法条件温和，操作简单。本专利技术的第三个目的在于提供一种基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜在作为盐差电池隔膜中的应用。本专利技术的第四个目的在于提供一种基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜在盐能差发电系统中的应用，所述非对称纳米孔道复合膜可用于反向电渗析技术，捕获盐差能，且具有输出电功率稳定、效率高，适用范围广的优势。为实现本专利技术的第一个专利技术目的，本专利技术提供的基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜具有以下特点：所述复合膜包括一层具有介孔结构的蚕丝膜和一层具有大孔结构的膜材料；所述的非对称纳米孔道是指具有介孔结构的蚕丝膜中的部分介孔与具有大孔结构的膜材料中的部分大孔对应相通。优选地，所述具有大孔结构的膜材料是，选自阳极氧化铝膜、聚碳酸酯膜、纤维素膜、聚四氟乙烯膜或聚偏二氟乙烯膜中的一种。优选地，所述具有大孔结构的膜材料是阳极氧化铝膜。优选地，所述蚕丝膜上介孔的孔径为15-25nm；所述膜材料上大孔的孔径为20-200nm。。优选地，所述蚕丝膜的厚度为5-80μm。本专利技术是通过实施如下技术方案来实现本专利技术的第二个技术目的。一种基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜的制备方法：将蚕丝纳米纤维置于真空抽滤装置中，在所述真空抽滤装置的砂芯漏斗上固定具有大孔结构的膜材料，经真空抽滤后，蚕丝纳米纤维吸附至具有大孔结构的膜材料表面，得到复合膜。本专利技术还提供了非对称纳米孔道复合膜在作为盐差电池隔膜的应用。本专利技术的第四个目的在于提供所述非对称纳米孔道复合膜在盐差能发电系统中的应用。优选地，非对称纳米孔道复合膜在盐差能发电系统的应用过程中，所述非对称纳米孔道复合膜中蚕丝膜上介孔的孔径为15-25nm；所述膜材料上大孔的孔径为80-100nm。优选地，非对称纳米孔道复合膜在盐差能发电系统的应用过程中，所述非对称纳米孔道复合膜中蚕丝膜中蚕丝膜的厚度为10-20μm。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提供了一种基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜，包括有具有介孔结构的蚕丝膜，蚕丝膜性能稳定、原料丰富、价格低廉，且仅通过真空抽滤即可制得，制备条件温和、操作简单，克服了现有技术中工艺复杂、成本高、可控性差的缺点。此外，该非对称纳米孔道复合膜在作为盐差电池隔膜和盐差能发电系统中的应用具有明显优势：1，允许正、负离子通过，减弱了单一离子选择性通过造成的浓差极化作用，有利于离子传输效率的提高；2，非对称纳米孔道结构对调整离子扩散的作用具有优势；3，能量转化效率高：成功的将盐差能转化为电能，在模拟利用海水(0.5MNaCl)与河水(0.01MNaCl)的盐差能发电系统中，最大输出能量密度达到了2.86W/m2；4，适用范围广：可用于pH＝3-11的电解质溶液中，且在使用过程中可根据pH调节蚕丝膜厚度，进而实现能量转化效率的最大化；5，性能稳定：包含该复合膜的盐差能发电系统还具有良好的稳定性，经过3个月的连续测试，其发电效率仅衰退了10％。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出了实施例1蚕丝纤维及非对称纳米孔道复合膜的制备过程示意图。图2示出了实施例1中非对称纳米孔道复合膜的断面扫描电镜图(a)以及蚕丝膜表面的扫面电镜图(b)。图3示出了实施例1中蚕丝膜纤维的透射电镜图。图4示出了实施例11中的盐差能转化为电能的系统装置图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术第一方面提供了一种基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜，所述复合膜包括一层具有介孔结构的蚕丝膜和一层具有大孔结构的膜材料；所述的非对称纳米孔道是指具有介孔结构的蚕丝膜中的部分介孔与具有大孔结构的膜材料中的部分大孔对应相通。本专利技术针对现有技术中膜材料制备原料昂贵、成本高、工艺复杂、对技术要求高的问题，通过提供蚕丝膜作为介孔材料来解决现有技术中的问题。蚕丝纳米纤维作为一种多孔的蛋白质纤维，其形成的蚕丝膜与大孔结构具有良好的附着力，且蚕丝膜中具有介孔结构，可以与大孔构成的非对称纳米孔道。此外，蚕丝膜材料的原料丰富廉价、稳定性好。本专利技术提供的所述具有大孔结构的膜材料是选自阳极氧化铝膜、聚碳酸酯膜、纤维素膜、聚四氟乙烯膜或聚偏二氟乙烯膜中的一种。根据一些优选实施例，本专利技术提供的所述具有大孔结构的膜材料是阳极氧化铝膜。在本专利技术中，阳极氧化铝膜具有良好的硬度、耐磨性和耐蚀性，可以有效保护铝基体不受磨损和腐蚀；此外，阳极氧化铝膜的的多孔性，一方面有利于蚕丝纳米纤维在其表面的附着，进而形成具有介孔结构蚕丝膜，另一方面也提供了大孔结构，和蚕丝膜中的结构相互配合，形成非对称的纳米孔道。在本专利技术中，所述蚕丝膜上介孔的孔径为15-25nm；所述膜材料上大孔的孔径为20-200nm。根据一些优选实施例，例如，所述蚕丝膜上介孔的孔径还可以为但不限于16-24nm、17-23nm、18-22nm或19-21nm等；所述膜材料上大孔的孔径还可以为但不限于30-180nm、40-160nm、50-140nm、60-120nm或70-100nm等。在本专利技术中，所述蚕丝膜的厚度为5-80μm。根据一些优选实施例，例如，所述蚕丝膜的厚度还可以为但不限于10-65μm、15-60μm、20-55μm、25-50μm或30-45μm等。蚕丝膜的厚度主要会影响其带电量以及孔道阻力情况。本专利技术还提供了一种基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜的制备方法：将蚕丝纳米纤维置于真空抽滤装置中，在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于介孔‑大孔材料的非对称纳米孔道复合膜，其特征在于，所述复合膜包括一层具有介孔结构的蚕丝膜和一层具有大孔结构的膜材料；所述的非对称纳米孔道是指具有介孔结构的蚕丝膜中的部分介孔与具有大孔结构的膜材料中的部分大孔对应相通。

【技术特征摘要】
1.一种基于介孔-大孔材料的非对称纳米孔道复合膜，其特征在于，所述复合膜包括一层具有介孔结构的蚕丝膜和一层具有大孔结构的膜材料；所述的非对称纳米孔道是指具有介孔结构的蚕丝膜中的部分介孔与具有大孔结构的膜材料中的部分大孔对应相通。2.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述具有大孔结构的膜材料，选自阳极氧化铝膜、聚碳酸酯膜、纤维素膜、聚四氟乙烯膜或聚偏二氟乙烯膜中的一种。3.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述具有大孔结构的膜材料是阳极氧化铝膜。4.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述蚕丝膜上介孔的孔径为15-25nm；所述膜材料上大孔的孔径为20-200nm。5.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述蚕丝膜的厚度为5-80...

【专利技术属性】
技术研发人员：闻利平，辛伟闻，孔祥玉，江雷，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11