SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜及其制备方法，包括：利用改性液制备改性膨润土颗粒；利用粘结剂制备SPEEK/粘结剂溶液；将改性膨润土颗粒加入至SPEEK/粘结剂溶液中，经搅拌、超声，得到SPEEK/改性膨润土混合液；将SPEEK/改性膨润土混合液倒入玻璃板中，采用溶液浇铸法制备成膜，经循环升温干燥，得到SPEEK/改性膨润土复合离子交换膜。本发明专利技术SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜及其制备方法调节离子传输通道，提升隔膜的离子传导性能、化学及机械稳定性，所得复合离子交换膜具有优异的离子选择性、离子传导率，良好的化学稳定性和机械性能，良好的电池性能和低成本等优势。优势。优势。

【技术实现步骤摘要】
SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于氧化还原液流电池用离子交换膜
，特别是涉及SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]可再生能源具有间歇性和不稳定性，需要与大规模储能技术进行联用。液流电池具有循环寿命长、设计灵活、安全可靠、响应快速等优点，在大规模储能领域具有十分广阔的应用前景。目前制约液流电池发展的主要问题是成本过高。离子交换膜作为液流电池的重要组成部分之一，是液流电池成本的主要决定因素，且其性能与电池性能密切相关。
[0003]理想的离子交换膜需具备质子电导率高、离子渗透作用小、电化学稳定、具有一定的机械性能、成本低、易加工、环境友好等特性。现阶段几乎没有符合上述条件的商业化离子交换膜材料。当前，国内外示范性工程主要采用的隔膜材料为美国杜邦公司的Nafion系列膜，其不仅价格高昂，还存在离子渗透严重的问题，限制了液流电池在大规模储能领域的商业化应用。为此，许多研究者对液流电池用离子交换膜做出了广泛研究，虽然有效改善了隔膜的某些性能，但是这些隔膜依旧具有成本高、综合性能差、制备工艺复杂且无法适用于多种液流电池体系等缺陷，无法满足液流电池商业化应用的要求。
[0004]因此，亟待制备成本低廉、使用寿命长、综合性能优良且适用于多种体系的离子交换膜，促进液流电池大规模商业应用。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜及其制备方法，利用具有优异亲水性、层状结构的改性膨润土颗粒，调节离子传输通道，并添加含有离子交换基团的粘结剂，共同提升隔膜的离子传导性能、化学及机械稳定性，制得的SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜具有优异的离子选择性、离子传导率，良好的化学稳定性和机械性能，良好的电池性能和低成本等优势，克服了单一离子传输的问题，所得复合离子交换膜能够应用于多种液流电池体系，解决了现有隔膜存在的离子选择性差、离子传导率低、单电池性能差和成本高等问题。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是， SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，制备改性膨润土颗粒：步骤11，干法提纯：将膨润土破碎、研磨、过筛，得到过筛的膨润土粉体；步骤12，改性处理：将过筛的膨润土粉体以1g:(3mL~5mL)的质量体积比置于浓度为2mol/L~3mol/L的改性液中，以200r/min~2000r/min的搅拌速率搅拌24h~48h，得到改性膨润土悬浊液；步骤13，高速离心提纯：对步骤12得到的改性膨润土悬浊液进行多次离心分离，离心转速范围为1000r/min~20000r/min，离心时间为2min~30min，离心次数为2次~10次，得到
改性膨润土膏状物；步骤14，焙烧改性：将步骤13得到的改性膨润土膏状物在60℃~120℃的温度下焙烧12h~48h，所得产物经研磨，得到改性膨润土颗粒；步骤2，制备SPEEK/粘结剂溶液：步骤21，将干燥的PEEK以1：(5~30)g/mL的质量体积比溶于98wt%的浓硫酸中，在60℃~100℃的恒温条件下，以300r/min~3000r/min的搅拌速率搅拌1h~3h，将搅拌后的混合溶液洗涤至中性，然后在60℃~100℃的温度条件下干燥20h~30h，得到干燥的SPEEK；步骤22，将干燥的SPEEK以1g:(10~60)mL的质量体积比加入至高沸点有机溶剂中，在40℃~120℃的恒温条件下搅拌0.8h~5h，得到SPEEK溶液；步骤23，将粘结剂加入至步骤22得到的SPEEK溶液中，在40℃~120℃的恒温条件下搅拌0.5h~3h，得到SPEEK/粘结剂溶液；步骤3，将步骤1得到的改性膨润土颗粒加入至步骤2得到的SPEEK/粘结剂溶液中，在40℃~80℃的恒温条件下，以700r/min~2000r/min的搅拌速率，搅拌2h~4h，然后超声10min~60min，得到SPEEK/改性膨润土混合液；步骤4，将步骤3所得SPEEK/改性膨润土混合液倒入玻璃板中，采用溶液浇铸法制备成膜，经循环升温干燥，得到厚度为20μm~120μm的SPEEK/改性膨润土复合离子交换膜。
[0007]进一步地，步骤11中，过筛的目数为100目~400目。
[0008]进一步地，步骤12中，改性液包括酸液、碱液或盐液；其中，酸液包括H2SO4水溶液、HNO3水溶液或HCl水溶液；碱液包括NaOH水溶液、KOH水溶液或LiOH水溶液；盐液包括NaCl水溶液、KCl水溶液、LiCl水溶液或Li2SO4水溶液。
[0009]进一步地，步骤21中，干燥的SPEEK的磺化度为10%~80%。
[0010]进一步地，步骤22中，高沸点有机溶剂包括：二甲亚砜、N，N
‑
二甲基甲酰胺、N，N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的任一种。
[0011]进一步地，步骤23中，粘结剂包括：聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酸、聚丙烯腈、海藻酸盐中的任一种。
[0012]进一步地，步骤23中，粘结剂与步骤22中干燥的SPEEK的质量比为0.01~0.05：1。
[0013]进一步地，步骤3中，改性膨润土颗粒与步骤22中干燥的SPEEK的质量比为0.01~0.05：1。
[0014]进一步地，步骤4中，循环升温干燥处理具体为：第一步升温至20℃~100℃，干燥2h~24h；第二步升温至100℃~160℃，干燥10h~24h。
[0015]本专利技术的另一专利技术目的，在于提供一种SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜，采用上述SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜的制备方法制备而成。
[0016]本专利技术实施例的有益效果是：（1）本专利技术实施例利用具有优异亲水性、层状结构的改性膨润土颗粒，调节离子传输通道，并添加含有离子交换基团的粘结剂，共同提升隔膜的离子传导性能、化学及机械稳定性，制得的SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜具有优异的离子选择性、离子传导率，良好的化学稳定性和机械性能，良好的电池性能和低成本等优势，克服了单一离子传输的问题，所得复合离子交换膜能够应用于多种液流电池体系。
[0017]（2）本专利技术实施例采用改性膨润土作为填充材料，膨润土与传统填充材料（如石墨
烯、氧化石墨烯、TiO2、WO3或SiO2）相比，具有储量丰富、价格低廉、绿色环保、改性手段简单、易于改性等优点。并且膨润土具有良好的吸水性和阳离子交换性，其晶格层间阳离子种类和层间距可变，再加上主体层固有的环状孔径，可从微观结构实现离子传输通道尺寸的调控，在离子运输过程中能有效的实现离子筛分，同时快速完成离子传输。经各种改性处理得到高纯度、富含离子交换基团的改性膨润土，是一种良好的离子传导载体，能有效提高复合离子交换膜的吸水率、溶胀率和离子电导率，吸水率的范围在3%~10%，溶胀率范围在2%~8%，离子电导率的范围在15~80mS/cm，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.SPEEK／改性膨润土复合离子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，制备改性膨润土颗粒：步骤11，干法提纯：将膨润土破碎、研磨、过筛，得到过筛的膨润土粉体；步骤12，改性处理：将过筛的膨润土粉体以1g:(3mL~5mL)的质量体积比置于浓度为2mol/L~3mol/L的改性液中，以200r/min~2000r/min的搅拌速率搅拌24h~48h，得到改性膨润土悬浊液；步骤13，高速离心提纯：对步骤12得到的改性膨润土悬浊液进行多次离心分离，离心转速范围为1000r/min~20000r/min，离心时间为2min~30min，离心次数为2次~10次，得到改性膨润土膏状物；步骤14，焙烧改性：将步骤13得到的改性膨润土膏状物在60℃~120℃的温度下焙烧12h~48h，所得产物经研磨，得到改性膨润土颗粒；步骤2，制备SPEEK/粘结剂溶液：步骤21，将干燥的PEEK以1：(5~30)g/mL的质量体积比溶于98wt%的浓硫酸中，在60℃~100℃的恒温条件下，以300r/min~3000r/min的搅拌速率搅拌1h~3h，将搅拌后的混合溶液洗涤至中性，然后在60℃~100℃的温度条件下干燥20h~30h，得到干燥的SPEEK；步骤22，将干燥的SPEEK以1g:(10~60)mL的质量体积比加入至高沸点有机溶剂中，在40℃~120℃的恒温条件下搅拌0.8h~5h，得到SPEEK溶液；步骤23，将粘结剂加入至步骤22得到的SPEEK溶液中，在40℃~120℃的恒温条件下搅拌0.5h~3h，得到SPEEK/粘结剂溶液；步骤3，将步骤1得到的改性膨润土颗粒加入至步骤2得到的SPEEK/粘结剂溶液中，在40℃~80℃的恒温条件下，以700r/min~2000r/min的搅拌速率，搅拌2h~4h，然后超声10min~60min，得到SPEEK/改性膨润土混合液；步骤4，将步骤3所得SPEEK/改性膨润土混合液倒入玻璃板中，采用溶液浇铸法制备成膜，经循环升温干燥，得到厚度为20μm~120μm的SPEEK/改性膨润土复合离子交换膜。2.根据权利要求1所述的S...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾传坤，何慕容，丁美，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：