一种高亲水性碱性电解水隔膜及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种高亲水性碱性电解水隔膜及其制备方法，先将耐碱聚合物溶于有机溶液中，得到一定固含量的高分子溶液，再加入磺化聚砜以及纳米陶瓷颗粒，得到涂膜液，再将涂膜液制备成液体膜，最后经水浴即可制成固体膜，所述固体膜包括具有一定角度对水接触角的多孔亲水层以及指状孔通道层。本发明专利技术工艺简单，适用范围广，且能够通过控制磺化聚砜的添加量来调整隔膜的亲水性，制备电阻低、隔气性好、能耗低的隔膜。耗低的隔膜。耗低的隔膜。

【技术实现步骤摘要】
一种高亲水性碱性电解水隔膜及其制备方法


[0001]本专利技术水电解制氢领域，特别是涉及一种高亲水性碱性电解水隔膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]近些年来，随着全球气候变暖和能源短缺及价格上涨问题的日益突出，人们开始寻找传统石化能源的替代品。而以风能、太阳能、氢能为代表的可再生新能源产业经过几十年的发展，得到了长足的进步，其使用价格正在快速逼近传统的石化能源价格。其中，氢气作为一种能源载体，不仅能满足全球能源需求，还能降低CO2的排放，在未来能源行业发展中扮演着重要角色。目前主流制氢方式中，化石能源制氢与工业副产氢仍有碳排放，绿氢才是未来主流。其中利用可再生能源(风能、光伏等)制取绿氢是未来发展方向。大规模水电解制氢技术是绿氢获得高效利用的关键。
[0003]目前国内外市场，大型水电解制氢技术主要采用碱性水电解制氢技术和质子交换膜电解制氢技术两种。氢能在往能源级别转变发展过程中，大型水电解制氢技术的生产设备具有规模大、效率高、占地面积小、氢能制取成本低等优势，一直是全球企业和科研机构研发电解水制氢技术的热点。碱性水电解槽是电解水制氢技术的主体装置，其多为串联双极性压滤式结构，由螺杆和端板把多个电解小室压在一起形成圆柱状，每个电解小室由双极板、垫片、阴极电极、隔膜、阳极电极组成。其中，隔膜作为碱水制氢双极板电解槽核心组件之一，其作用是将阴阳两极隔开，防止氢气和氧气混合，同时为离子提供传输通道。市场上最早采用的电解水隔膜是石棉隔膜，虽然成本较低，但是其存在很多缺点，例如石棉纤维易脱落，有致癌性，阻抗较大，能耗高等。虽然近些年来，市场上主流的碱性电解水制氢隔膜已经替代为了聚苯硫醚纺织布隔膜，但是依然存在气密性低、电阻高和能耗高的问题。
[0004]因此，开发一种具有优异的耐碱性能、亲水性能，电阻小、能耗低和价格便宜的新型隔膜，成为电解水制氢
亟需解决难题之一。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提出了一种高亲水性碱性电解水隔膜及其制备方法。
[0006]本专利技术的主要内容包括：
[0007]一种高亲水性碱性电解水隔膜，包括指状孔通道层以及位于其上的多孔亲水层；所述指状孔通道层以及所述多孔亲水层包含耐碱聚合物、磺化聚砜以及纳米陶瓷颗粒；所述指状孔通道层的对水接触角为0
‑
80
°
。
[0008]优选的，所述多孔亲水层的厚度为1～10μm，所述指状孔通道层的厚度为200～400μm。
[0009]优选的，所述纳米陶瓷颗粒为氧化锆、氧化钛、氧化硅、氧化钙、三氧化二铝中的一种或多种组合。
[0010]优选的，包括涂膜液制备步骤、液体膜制备步骤以及固体膜制备步骤，其中，所述
涂膜液制备步骤包括：
[0011]A：将耐碱聚合物溶解于有机溶剂中，得到高分子溶液，所述高分子溶液的固含量为8～20％；
[0012]B：将磺化聚砜加入所述高分子溶液中，搅拌均匀后加入纳米陶瓷颗粒，继续搅拌1
‑
2h，得到涂膜液；
[0013]所述液体膜制备步骤是指由涂膜液制备液体膜的步骤；所述固体膜制备步骤是指由液体膜制备固体膜的步骤。
[0014]优选的，所述液体膜制备步骤包括：
[0015]将所述涂膜液置于玻璃板上，使用刮刀对其涂膜，得到厚度为300～700μm的液体膜。
[0016]优选的，所述固体膜制备步骤包括：
[0017]水浴：将所述液体膜放入水中1～10min，得到固体膜。
[0018]优选的，所述水浴的温度为
‑
10～70℃。
[0019]优选的，为聚砜、聚醚砜、聚苯砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚酮、聚醚醚酮中的一种或多种组合。
[0020]优选的，所述磺化聚砜的磺化度为10～50％，所述磺化聚砜与所述耐碱聚合物的重量比为1～20％。
[0021]本专利技术提出了一种高亲水性碱性电解水隔膜及其制备方法，具有如下有益效果：
[0022](1)实施工艺过程简单，条件易满足，适用范围广，可用于所有体系的复合隔膜；
[0023](2)隔膜的亲水性可以通过改变磺化聚砜的添加量进行调控，随着添加量的增加，隔膜的亲水性越好，相应的隔膜电阻变低，能耗变低，经济性提高。
[0024](3)本专利技术所制得的碱性电解水隔膜具有亲水性好、耐浓碱、电阻低、隔气性好、能耗低等优点，在碱性电解水领域具有广阔的应用前景。
附图说明
[0025]图1为四个实施例制得的隔膜的接触角的柱状图；
[0026]图2为实施例2制得的隔膜的指状孔通道层和多孔亲水层的微观形貌图；
[0027]图3为实施例3制得的隔膜的多孔亲水层的微观形貌图。
具体实施方式
[0028]以下将对本专利技术所保护的技术方案做具体说明。
[0029]实施例1
[0030]A：用天平分别称取11g聚砜和100g N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂，然后将耐碱聚合物缓慢分批加入NMP中，机械搅拌2h后得到均一透明的高分子溶液，其固含量为10％；
[0031]B：将0.55g磺化聚砜(其磺化度为10％)分批加入到上述耐碱聚合物高分子溶液中，机械搅拌1h，得到均匀的混合高分子溶液，其中磺化聚砜和耐碱聚合物的重量比为5％；
[0032]C：称取44g纳米陶瓷颗粒，将其分批加入上述混合高分子溶液中，机械搅拌2h后，得到均匀的涂膜液；
[0033]D：将上述涂膜液置于玻璃板上，调整刮刀与玻璃板的间隙距离后，使用刮刀对其
涂膜，得到厚度为500μm的液体膜；
[0034]E：将上述液体膜放入水浴中2min，使得液体膜中的有机溶剂与水混溶，发生相分离，得到固体膜，其中，水的温度为0℃。
[0035]实施例1制得的隔膜的性能指标见表1和图1。
[0036]实施例2
[0037]A：用天平分别称取17g聚砜和100g N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂，然后将耐碱聚合物缓慢分批加入NMP中，机械搅拌2h后得到均一透明的高分子溶液，其固含量为14.5％；
[0038]B：将1.7g磺化聚砜(其磺化度为10％)分批加入到上述耐碱聚合物高分子溶液中，机械搅拌1h，得到均匀的混合高分子溶液，其中磺化聚砜和耐碱聚合物的重量比为10％；
[0039]C：称取68g纳米陶瓷颗粒，将其分批加入上述混合高分子溶液中，机械搅拌2h后，得到均匀的涂膜液；
[0040]D：将上述涂膜液置于玻璃板上，调整刮刀与玻璃板的间隙距离后，使用刮刀对其涂膜，得到厚度为500μm的液体膜；
[0041]E：将上述液体膜放入水浴中5min，使得液体膜中的有机溶剂与水混溶，发生相分离，得到固体膜，其中，水的温度为10℃。
[0042]实施例2制得的隔膜的性能指标见表1和图1；其制得的隔膜的微观形貌图见图2。
[0043]实施例3
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高亲水性碱性电解水隔膜，其特征在于，包括指状孔通道层以及位于其上的多孔亲水层；所述指状孔通道层以及所述多孔亲水层包含耐碱聚合物、磺化聚砜以及纳米陶瓷颗粒；所述指状孔通道层的对水接触角为0
‑
80
°
。2.根据权利要求1所述的一种高亲水性碱性电解水隔膜，其特征在于，所述多孔亲水层的厚度为1～10μm，所述指状孔通道层的厚度为200～400μm。3.根据权利要求1所述的一种高亲水性碱性电解水隔膜，其特征在于，所述纳米陶瓷颗粒为氧化锆、氧化钛、氧化硅、氧化钙、三氧化二铝中的一种或多种组合。4.权利要求1至3任一所述的一种高亲水性碱性电解水隔膜的制备方法，其特征在于，包括涂膜液制备步骤、液体膜制备步骤以及固体膜制备步骤，其中，所述涂膜液制备步骤包括：A：将耐碱聚合物溶解于有机溶剂中，得到高分子溶液，所述高分子溶液的固含量为8～20％；B：将磺化聚砜加入所述高分子溶液中，搅拌均匀后加入纳米陶瓷颗粒，继续搅拌1
‑
2h，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：董国庆，马怡然，陈桂敏，
申请(专利权)人：海卓迈博苏州新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：