一种选择性透氧膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种选择性透氧膜及其制备方法和应用，属于空气电池领域。本发明专利技术将薄层聚多巴胺涂覆的ZIF‑8分散在含有PMMA基质中，利用3D打印得到混合基质膜；ZIF‑8中的氨基对CO

A selective oxygen permeable membrane and its preparation and Application

The invention provides a selective oxygen permeable membrane and a preparation method and application thereof, belonging to the field of air battery. The invention disperses the thin-layer polydopamine coated zif-8 in the matrix containing PMMA, and obtains the mixed matrix film by 3D printing; amino-p-co in zif-8

【技术实现步骤摘要】
一种选择性透氧膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及空气电池
，尤其涉及一种选择性透氧膜及其制备方法和应用。
技术介绍
金属空气电池在未来是能够成为替代传统电池的新一代的绿色原电池，随着新时代的进步和经济的发展，能源的需求对我们来说是必不可少的，因此迫切需要可再生能源的出现。锂离子电池由于能量密度高、寿命长等优点主要在小的电子设备中首次实现商业化。但是由于锂离子电池系统的充放电反应过程就是锂离子在正负极之间的嵌入与脱出，电池中的锂离子在这一过程中不能完全的参与反应，从而也不能满足新型动力汽车的高比能量要求。相比之下，金属空气电池把金属作为阳极失去电子，空气极作为阴极，氧气在阴极发生氧化还原反应的一次(铝、镁空气电池)或二次电池(锂、锌空气电池)。这种电池最大的优点在于空气中的氧气可以直接获得，它不需要将反应物放在电池的内部，具有非常高的能量密度。金属阳极在强碱溶液中相对稳定，并且碱溶液对其他电池材料的腐蚀也比较弱，因此，常用碱溶液作水溶液电解质金属空气电池的电解液。但碱溶液的使用也带来了明显的不足，如开放体系的金属空气电池，碱溶液极易吸收空气中的二氧化碳(CO2)，造成电解液酸化而降低电池性能。锂空气电池使用非水系电解液，接触二氧化碳(CO2)或空气中水蒸气都会出现严重的副反应，消耗锂阳极，导致电池失效。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种选择性透氧膜及其制备方法和应用。本专利技术制得的选择性透氧膜对CO2具有优先吸附性能，且对O2的吸附能力显著低于CO2，具有阻二氧化碳、透氧作用，有利于提高电池性能。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种选择性透氧膜的制备方法，包括以下步骤：将金属有机骨架材料ZIF-8、盐酸多巴胺、碱性物质和水混合，进行氧化自聚合，得到ZIF-8@PDA粉末；将所述ZIF-8@PDA粉末和聚甲基丙烯酸甲酯加入有机溶剂中，得到浆料；将所述浆料在玻璃上进行3D打印，得到带有混合基质膜的玻璃板；将所述带有混合基质膜的玻璃板浸入水中，得到所述选择性透氧膜。优选地，所述金属有机骨架材料ZIF-8和盐酸多巴胺的质量比为0.4～0.6:1.5～1.6。优选地，所述金属有机骨架材料ZIF-8的直径为326～476nm，孔径为0.3～0.4nm。优选地，所述碱性物质为三羟甲基氨基甲烷、氢氧化钠、氢氧化钾或氨水，所述碱性物质以碱性溶液的形式加入，所述碱性溶液的pH值为8～8.5。优选地，所述氧化自聚合的温度为室温，时间为12～24h。优选地，所述氧化自聚合后还包括将所得氧化自聚合产物依次进行离心-超声水洗3次，再离心沉淀并干燥。优选地，所述ZIF-8@PDA粉末和聚甲基丙烯酸甲酯的质量比为0.4～0.6:1.7～1.9。本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制得的选择性透氧膜，包括聚多巴胺包裹的金属有机骨架材料ZIF-8和聚甲基丙烯酸甲酯基质，所述聚多巴胺包裹的金属有机骨架材料ZIF-8分布在所述聚甲基丙烯酸甲酯基质中。优选地，所述选择性透氧膜的厚度为10～20μm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的选择性透氧膜作为隔膜在金属空气电池中的应用。本专利技术提供了一种选择性透氧膜的制备方法，包括以下步骤：将金属有机骨架材料ZIF-8、盐酸多巴胺、碱性物质和水混合，进行氧化自聚合，得到ZIF-8@PDA粉末；将所述ZIF-8@PDA粉末和聚甲基丙烯酸甲酯加入有机溶剂中，得到浆料；将所述浆料在玻璃上进行3D打印，得到带有混合基质膜的玻璃板；将所述带有混合基质膜的玻璃板浸入水中，膜会自动脱离玻璃板，得到所述选择性透氧膜。本专利技术利用薄层聚多巴胺(PDA)涂覆在金属有机骨架材料ZIF-8(MOF晶体)上，聚多巴胺涂层可以减小MOF颗粒和聚合物基质聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之间的空隙，促进MOF颗粒在基质膜中的固定，且聚多巴胺中丰富的-OH基团与CO2分子也有很强的相互作用，金属有机骨架材料ZIF-8中的氨基也能与二氧化碳分子相互作用；将涂覆聚多巴胺的MOF颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯利用3D打印得到混合基质膜，PMMA基质中含有丰富的-C＝O功能基团，对CO2分子有排斥作用，同时也是疏水材料，可以防止空气中水蒸气毒害电池；本专利技术制得的选择性透氧膜对二氧化碳具有优先吸附性能，同时对氧气的吸附能力显著低于二氧化碳，可以作为一种易加工、具有阻二氧化碳、透氧作用、非常有潜力的多孔防水透气层材料。实施例的数据表明，本专利技术制得的选择性透氧膜20℃下，800mmHg时，对CO2的吸附量明显高于其他种类气体，O2的透过率为1.8×10-8mol·m-2·s-1·Pa-1，O2和CO2的理想分离系数为5.5。附图说明图1为金属有机骨架材料ZIF-8的实物图；图2为ZIF-8@PDA的实物图；图3为选择性透氧膜的润湿性测试图；图4为ZIF-8的X射线衍射表征谱图；图5为铝空气电池有无选择性透氧膜的电压容量关系对比图；图6为铝空气电池有无选择性透氧膜的电压放电时长对比图；图7不同的电池组装形式所得到的电压容量关系图，其中标注放电5h的曲线代表纽扣式铝空气电池的电压容量关系曲线，标注放电68h的曲线代表组装在铝空气电池模具含有选择性透氧膜的电压容量关系曲线，图中标注放电67h的曲线代表组装在铝空气电池模具不含有选择性透氧膜的电压容量关系曲线；图8为无选择性透氧膜的锂空气电池的电压与测试时间的放电-充电曲线；图9为有选择性透氧膜的锂空气电池的电压与测试时间的放电-充电曲线；图10为含有选择性透氧膜的纽扣式锂空气电池在充放电电流为0.1mA时不同循环的电压容量曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种选择性透氧膜的制备方法，包括以下步骤：将金属有机骨架材料ZIF-8、盐酸多巴胺、碱性物质和水混合，进行氧化自聚合，得到ZIF-8@PDA粉末；将所述ZIF-8@PDA粉末和聚甲基丙烯酸甲酯加入有机溶剂中，得到浆料；将所述浆料在玻璃上进行3D打印，得到带有混合基质膜的玻璃板；将所述带有混合基质膜的玻璃板浸入水中，膜会自动脱离玻璃板，得到所述选择性透氧膜。本专利技术将金属有机骨架材料ZIF-8、盐酸多巴胺、碱性物质和水混合，进行氧化自聚合，得到ZIF-8@PDA粉末。在本专利技术中，所述金属有机骨架材料ZIF-8和盐酸多巴胺的质量比优选为0.4～0.6:1.5～1.6。在本专利技术中，所述金属有机骨架材料ZIF-8的直径优选为326～476nm，孔径优选为0.3～0.4nm。本专利技术对所述金属有机骨架材料ZIF-8的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本专利技术的实施例中，所述金属有机骨架材料ZIF-8优选由包括以下步骤的方法制备得到：将Zn(NO3)2·6H2O(0.734g)溶于50mL无水甲醇中，得到含Zn溶液，再将0.811g2-甲基咪唑和0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种选择性透氧膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将金属有机骨架材料ZIF-8、盐酸多巴胺、碱性物质和水混合，进行氧化自聚合，得到ZIF-8@PDA粉末；/n将所述ZIF-8@PDA粉末和聚甲基丙烯酸甲酯加入有机溶剂中，得到浆料；/n将所述浆料在玻璃上进行3D打印，得到带有混合基质膜的玻璃板；/n将所述带有混合基质膜的玻璃板浸入水中，膜会自动脱离玻璃板，得到所述选择性透氧膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种选择性透氧膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金属有机骨架材料ZIF-8、盐酸多巴胺、碱性物质和水混合，进行氧化自聚合，得到ZIF-8@PDA粉末；
将所述ZIF-8@PDA粉末和聚甲基丙烯酸甲酯加入有机溶剂中，得到浆料；
将所述浆料在玻璃上进行3D打印，得到带有混合基质膜的玻璃板；
将所述带有混合基质膜的玻璃板浸入水中，膜会自动脱离玻璃板，得到所述选择性透氧膜。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属有机骨架材料ZIF-8和盐酸多巴胺的质量比为0.4～0.6:1.5～1.6。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述金属有机骨架材料ZIF-8的直径为326～476nm，孔径为0.3～0.4nm。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱性物质为三羟甲基氨基甲烷、氢氧化钠、氢氧化钾或氨水，所述碱性物质以碱性溶液的形式加入，所述碱性溶液的pH...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢惠民，刘建学，
申请(专利权)人：易航时代北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11