陶瓷阴离子交换材料制造技术

提供了包含基于二氧化硅的陶瓷的阴离子交换膜和阴离子交换材料，以及相关方法。在一些方面中，描述了阴离子交换膜，其包含在多孔支撑膜上和/或在多孔支撑膜内形成涂层的基于二氧化硅的陶瓷。阴离子交换膜和阴离子交换材料可以具有某些结构或化学属性(例如，孔尺寸/分布、化学官能化)，其单独或组合可以在期望使带正电荷的离子选择性传输通过膜/材料的各种应用的任意者中产生有利的性能特性。在一些实施方案中，基于二氧化硅的陶瓷包含可以有助于一些这样的有利特性的相对小的孔(例如，基本上为球形的纳米孔)。在一些实施方案中，阴离子交换膜或阴离子交换材料包含与基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团。的陶瓷共价键合的季铵基团。的陶瓷共价键合的季铵基团。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】陶瓷阴离子交换材料
[0001]相关申请
[0002]本申请根据35 U.S.C.
§
119(e)要求于2019年6月4日提交的且标题为“CERAMIC ANION EXCHANGE MATERIALS”的美国临时申请序列号62/857,227的优先权，为了所有目的，其通过引用整体并入本文。


[0003]一般地描述了离子交换膜和离子交换材料，以及相关方法。

技术介绍

[0004]阴离子交换膜和阴离子交换材料用于期望选择性传输带负电荷的离子的各种工业应用。在阴离子交换膜的情况下，可以使带负电荷的离子选择性地传输通过膜截面。一种类型的阴离子交换膜为氢氧离子交换膜，但是存在能够选择性传输其他类型的带负电荷的离子的阴离子交换膜。本公开内容的某些实施方案涉及用于改善阴离子交换膜和阴离子交换材料的性能和/或特性的本专利技术的组合物、膜、和材料，以及相关方法。

技术实现思路

[0005]一般地描述了包含基于二氧化硅的陶瓷的阴离子交换膜和阴离子交换材料，以及相关方法。在一些情况下，本专利技术的主题涉及相关的产品、对于特定问题的替代解决方案、和/或一个或更多个系统和/或制品的多种不同用途。
[0006]在一方面中，提供了阴离子交换膜。在一些实施方案中，阴离子交换膜包含多孔支撑膜和涂覆了至少一部分的多孔支撑膜的基于二氧化硅的陶瓷。基于二氧化硅的陶瓷包含与基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团。基于二氧化硅的陶瓷的平均孔径小于或等于10nm。
[0007]在一些实施方案中，阴离子交换膜包含多孔支撑膜和在多孔支撑膜上和/或多孔支撑膜内形成涂层的基于二氧化硅的陶瓷。基于二氧化硅的陶瓷包含与基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团。阴离子交换膜的氯离子传导率大于或等于0.00001S/cm。
[0008]在一些实施方案中，阴离子交换膜包含基于二氧化硅的陶瓷，以及阴离子交换膜具有大于或等于10重量％的水吸收和小于或等于10％的线膨胀。
[0009]在一些实施方案中，阴离子交换膜包含多孔支撑膜和在多孔支撑膜上和/或多孔支撑膜内形成涂层的基于二氧化硅的陶瓷。基于二氧化硅的陶瓷包含与基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团。季铵基团与多孔支撑膜的表面直接相邻。
[0010]在一些实施方案中，阴离子交换膜包含多孔支撑膜和涂覆了至少一部分的多孔支撑膜的基于二氧化硅的陶瓷。基于二氧化硅的陶瓷包含与基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团。多孔支撑膜的孔体积的大于或等于50％被基于二氧化硅的陶瓷填充。
[0011]在一些实施方案中，阴离子交换膜包含多孔支撑膜和在多孔支撑膜上和/或多孔支撑膜内形成涂层的基于二氧化硅的陶瓷。基于二氧化硅的陶瓷包含与基于二氧化硅的陶
瓷共价键合的季铵基团。阴离子交换膜的阴离子交换容量大于或等于0.01meq/g。
[0012]在一些实施方案中，阴离子交换膜包含多孔支撑膜和涂覆了至少一部分的多孔支撑膜的基于二氧化硅的陶瓷。基于二氧化硅的陶瓷包含与基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团。季铵基团以大于或等于0.01mmol每克阴离子交换膜的量存在于阴离子交换膜中。
[0013]在一些实施方案中，提供了阴离子交换材料。阴离子交换材料包含基于二氧化硅的陶瓷，基于二氧化硅的陶瓷包含与基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团。基于二氧化硅的陶瓷以基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si。阴离子交换材料的阴离子交换容量大于或等于0.01meq/g。基于二氧化硅的陶瓷的平均孔径小于10nm。
[0014]在一些实施方案中，提供了阴离子交换膜。在一些实施方案中，阴离子交换膜包含基于二氧化硅的陶瓷，基于二氧化硅的陶瓷以基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si。阴离子交换膜的阴离子交换容量大于或等于0.01meq/g。
[0015]在一些实施方案中，阴离子交换膜包含基于二氧化硅的陶瓷。阴离子交换膜具有大于或等于0.01meq/g的阴离子交换容量和小于或等于10％的线膨胀。
[0016]在一些实施方案中，提供了阴离子交换膜。阴离子交换膜包含基于二氧化硅的陶瓷，基于二氧化硅的陶瓷以基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si。阴离子交换膜的阴离子选择透过性大于或等于65％。
[0017]在一些实施方案中，提供了阴离子交换膜。阴离子交换膜包含基于二氧化硅的陶瓷，基于二氧化硅的陶瓷以基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si。阴离子交换膜的氯离子传导率大于或等于0.00001S/cm。
[0018]在一些实施方案中，阴离子交换膜具有基于二氧化硅的陶瓷以及大于或等于0.00001S/cm的氯离子传导率和小于或等于10％的线膨胀。
[0019]在一些实施方案中，提供了阴离子交换膜。阴离子交换膜包含基于二氧化硅的陶瓷，基于二氧化硅的陶瓷以基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si。阴离子交换膜的渗透水透过度(osmotic water permeance)小于或等于100mL/(小时
·
巴
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m2)。
[0020]在一些实施方案中，阴离子交换膜包含基于二氧化硅的陶瓷，基于二氧化硅的陶瓷以基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si。基于二氧化硅的陶瓷包括孔，其中基于二氧化硅的陶瓷的孔的平均直径在所述阴离子交换膜处于水合状态时比在所述阴离子交换膜处于干燥状态时大的程度为其的大于或等于1.1倍。
[0021]在一些实施方案中，阴离子交换膜包含基于二氧化硅的陶瓷，基于二氧化硅的陶瓷以基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si。当阴离子交换膜处于干燥状态时，基于二氧化硅的陶瓷的孔符合其中强度(I)作为散射矢量q的函数的小角散射光谱的模型，如下：
[0022][0023]其中a、c1、和c2为可调节的参数以及bck为背景散射；以及在阴离子交换膜处于水合状态时，基于二氧化硅的陶瓷的孔符合其中强度(I)作为散射矢量q的函数的小角散射光谱的芯
‑
壳模型，如下：
[0024]I(q)＝P(q)S(q)+bck，
[0025][0026][0027]其中R
o
为结构单元(孔)的半径，ρ
溶剂
为基于二氧化硅的陶瓷的散射长度密度，D
f
为分形尺寸，ξ为相关长度，Γ为标准数学伽马函数，比例为所测量的基于二氧化硅的陶瓷的结构单元的体积分数，V
c
为芯的体积，V
s
为壳的体积，ρ
c
为芯的散射长度密度，ρ
s
为壳的散射长度密度，ρ
单元
为孔的散射长度密度，r
c
为芯的半径，r
s
为壳的半径，以及bck为背景散射。
[0028]在一些实施方案中，描述了形成阴离子交换膜的方法。在一些实施方案中，所述方法包括将多孔支撑膜(其至少一部分涂覆有基于二氧化硅的陶瓷)暴露本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种阴离子交换膜，包括：多孔支撑膜；和基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷涂覆至少一部分的所述多孔支撑膜，其中所述基于二氧化硅的陶瓷包含与所述基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团，以及其中所述基于二氧化硅的陶瓷的平均孔径小于或等于10nm。2.一种阴离子交换膜，包括：多孔支撑膜；和基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷形成所述多孔支撑膜上的和/或在所述多孔支撑膜内的涂层，其中所述基于二氧化硅的陶瓷包含与所述基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团，以及其中所述阴离子交换膜的氯离子传导率大于或等于0.00001S/cm。3.一种阴离子交换膜，包含：基于二氧化硅的陶瓷，其中所述阴离子交换膜具有大于或等于10重量％的水吸收和小于或等于10％的线膨胀。4.一种阴离子交换膜，包括：多孔支撑膜；和基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷涂覆至少一部分的所述多孔支撑膜，其中所述基于二氧化硅的陶瓷包含与所述基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团，以及其中所述多孔支撑膜的大于或等于50％的孔体积被所述基于二氧化硅的陶瓷填充。5.一种阴离子交换膜，包括：多孔支撑膜；和基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷形成所述多孔支撑膜上的和/或在所述多孔支撑膜内的涂层，其中所述基于二氧化硅的陶瓷包含与所述基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团，以及其中所述阴离子交换膜的阴离子交换容量大于或等于0.01meq/g。6.一种阴离子交换膜，包括：多孔支撑膜；和基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷涂覆至少一部分的所述多孔支撑膜，其中所述基于二氧化硅的陶瓷包含与所述基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团，以及其中所述季铵基团以大于或等于0.01mmol每克所述阴离子交换膜的量存在于所述阴离子交换膜中。7.一种阴离子交换材料，包含：基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷包含与所述基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团，其中所述基于二氧化硅的陶瓷以大于或等于所述基于二氧化硅的陶瓷的6重量％的量包含Si，其中所述阴离子交换材料的阴离子交换容量大于或等于0.01meq/g，以及其中所述基于二氧化硅的陶瓷的平均孔径小于10nm。8.一种阴离子交换膜，包含：基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷以所述基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si，其中所述阴离子交换膜的阴离子交换容量大于或等于0.01meq/g。
9.一种阴离子交换膜，包含：基于二氧化硅的陶瓷，其中所述阴离子交换膜具有大于或等于0.01meq/g的阴离子交换容量和小于或等于10％的线膨胀。10.一种阴离子交换膜，包含：基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷以所述基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si，其中所述阴离子交换膜的阴离子选择透过性大于或等于65％。11.一种阴离子交换膜，包含：基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷以所述基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si，其中所述阴离子交换膜的氯离子传导率大于或等于0.00001S/cm。12.一种阴离子交换膜，包含：基于二氧化硅的陶瓷，其中所述阴离子交换膜具有大于或等于0.00001S/cm的氯离子传导率和小于或等于10％的线膨胀。13.一种阴离子交换膜，包含：基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷以所述基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si，其中所述阴离子交换膜的渗透水透过度小于或等于100mL/(小时
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m2)。14.一种阴离子交换膜，包含：基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷以所述基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si，所述基于二氧化硅的陶瓷包括孔，其中所述基于二氧化硅的陶瓷的所述孔的平均直径在所述阴离子交换膜处于水合状态时比在所述阴离子交换膜处于干燥状态时大的程度为其的大于或等于1.1倍。15.一种阴离子交换膜，包含：基于二氧化硅的陶瓷，所述基于二氧化硅的陶瓷以所述基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si，所述基于二氧化硅的陶瓷包括孔，其中：当所述阴离子交换膜处于干燥状态时，所述基于二氧化硅的陶瓷的所述孔符合其中强度(I)作为散射矢量q的函数的小角散射光谱的模型，如下：其中a、c1、和c2为可调节的参数以及bck为背景散射；以及当所述阴离子交换膜处于水合状态时，所述基于二氧化硅的陶瓷的所述孔符合其中强度(I)作为散射矢量q的函数的小角散射光谱的芯
‑
壳模型，如下：I(q)＝P(q)S(q)+bck，
其中R
o
为结构单元(孔)的半径，ρ
溶剂
为所述基于二氧化硅的陶瓷的散射长度密度，D
f
为分形尺寸，ξ为相关长度，Γ为标准数学伽马函数，比例为所测量的所述基于二氧化硅的陶瓷的结构单元的体积分数，V
c
为芯的体积，V
s
为壳的体积，ρ
c
为所述芯的散射长度密度，ρ
s
为所述壳的散射长度密度，ρ
单元
为所述孔的散射长度密度，r
c
为所述芯的半径，r
s
为所述壳的半径，以及bck为背景散射。16.一种用于在电化学应用中使用根据权利要求1至6、8至15、和21至113中任一项所述的阴离子交换膜的方法，包括：使所述阴离子交换膜与电解质接触；和使电流通过与所述电解质电连通的电极。17.一种用于在电化学应用中使用根据权利要求7和21至113中任一项所述的阴离子交换材料的方法，包括：使所述阴离子交换材料与电解质接触；和使电流通过与所述电解质电连通的电极。18.一种用于使用根据权利要求1至6、8至15、和21至113中任一项所述的阴离子交换膜作为吸附材料的方法，包括使流体流过所述阴离子交换膜；和吸附所述流体的组分。19.一种用于使用根据权利要求7和21至113中任一项所述的阴离子交换材料作为吸附材料的方法，包括使流体流过所述阴离子交换材料；和吸附所述流体的组分。20.一种用于在分离应用中使用根据权利要求1至6、8至15、和21至113中任一项所述的阴离子交换膜的方法，包括对所述阴离子交换膜施加跨膜压。21.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，还包括被所述基于二氧化硅的陶瓷涂覆的多孔支撑膜。22.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷包含与所述基于二氧化硅的陶瓷共价键合的季铵基团。23.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷的平均孔径小于或等于10nm。24.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述季铵基团与所述多孔支撑膜的表面直接相邻。25.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述季铵基团以0.01mmol每克所述阴离子交换膜或每克所述阴离子交换材料的量存在于所述阴离子交换膜或所述阴离子交换材料中。26.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述季铵基团以0.1mmol每克所述阴离子交换膜或每克所述阴离子交换材料的量存在于所
述阴离子交换膜或所述阴离子交换材料中。27.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中基于跨所述涂层的厚度的季铵基团的平均量，所述季铵基团基本上均匀地分布在所述基于二氧化硅的陶瓷内。28.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中基于跨所述涂层的厚度的季铵基团的最大量，所述季铵基团基本上均匀地分布在所述基于二氧化硅的陶瓷内。29.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述阴离子交换膜或所述阴离子交换材料的阴离子交换容量大于或等于0.01meq/g。30.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述阴离子交换膜或所述阴离子交换材料的阴离子交换容量大于或等于0.1meq/g。31.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷以所述基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于6重量％的量包含Si。32.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷以所述基于二氧化硅的陶瓷的大于或等于1.5mol％的量包含Si。33.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述阴离子交换膜的线膨胀小于或等于10％。34.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述阴离子交换膜的线膨胀小于或等于5％。35.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述阴离子交换膜的阴离子选择透过性小于或等于65％。36.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述阴离子交换膜的氯化物传导率大于或等于0.00001S/cm。37.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述阴离子交换膜的渗透水透过度小于或等于100mL/(小时
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m2)。38.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述阴离子交换膜的渗透水透过度小于或等于50mL/(小时
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m2)。39.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中在包含所述季铵基团的所述基于二氧化硅的陶瓷与所述多孔支撑膜之间没有中间层。40.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷包括孔，以及其中所述基于二氧化硅的陶瓷的所述孔的平均直径在所述阴离子交换膜处于水合状态时比在所述阴离子交换膜处于干燥状态时大的程度为其的大于或等于1.1倍。41.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷包括孔，以及其中所述基于二氧化硅的陶瓷的所述孔的平均直径在所述阴离子交换膜处于水合状态时比在所述阴离子交换膜处于干燥状态时大的程度为其的小于或等于5倍。42.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷包括孔，以及其中：
当所述阴离子交换膜或所述阴离子交换材料处于干燥状态时，所述基于二氧化硅的陶瓷的所述孔符合其中强度(I)作为散射矢量q的函数的小角散射光谱的模型，如下：其中a、c1、和c2为可调节的参数以及bck为背景散射；以及当所述阴离子交换膜或所述阴离子交换材料处于水合状态时，所述基于二氧化硅的陶瓷的所述孔符合其中强度(I)作为散射矢量q的函数的小角散射光谱的芯
‑
壳模型，如下：I(q)＝P(q)S(q)+bck，I(q)＝P(q)S(q)+bck，其中R
o
为结构单元(孔)的半径，ρ
溶剂
为所述基于二氧化硅的陶瓷的散射长度密度，D
f
为分形尺寸，ξ为相关长度，Γ为标准数学伽马函数，比例为所测量的所述基于二氧化硅的陶瓷的结构单元的体积分数，V
c
为芯的体积，V
s
为壳的体积，ρ
c
为所述芯的散射长度密度，ρ
s
为所述壳的散射长度密度，ρ
单元
为所述孔的散射长度密度，r
c
为所述芯的半径，r
s
为所述壳的半径，以及bck为背景散射。43.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷在所述多孔支撑膜上形成单层。44.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述季铵基团在所述多孔支撑膜的表面的1μm内。45.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷是溶胶
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凝胶衍生的。46.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷衍生自包含铵基团或包含离去基团的部分的含硅前体的共缩合。47.根据前述权利要求中任一项所述的阴离子交换膜、阴离子交换材料、或方法，其中所述基于二氧化硅的陶瓷的硅与氮摩尔比大于或等于1∶1。48.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈里，
申请(专利权)人：门布里翁有限公司，
类型：发明
国别省市：