一维/二维复合结构导离子膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种一维/二维复合结构导离子膜及其制备方法与应用，一维/二维复合结构导离子膜包括以下组分：羧酸纤维素；和蛭石纳米片；所述复合结构导离子膜的XRD谱图中于6.0

【技术实现步骤摘要】
一维/二维复合结构导离子膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于二维材料领域，更具体地说，涉及一种一维/二维复合结构导离子膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]水作为极性材料，由于其优异的离子解离能力、极高的安全性和低成本，被广泛认为是各种应用领域中的重要和/或甚至不可或缺的溶剂，包括可充电电池、液流电池、离子分离、生物处理等。作为一种传输介质，水作为一种重要的和/或甚至不可或缺的溶剂，应用于能量储存、膜分离、化学反应和代谢循环等。
[0003]特别是，在水性可充电电池领域，水性电解质(其应用水来代替其相反的有机溶剂)不仅由于水性电解质的快速动力学而赋予了电池有前途的电化学性能，而且与有机电解质相比还提供了易加工性、生态友好性和极大的安全性。特别地，水性电解质被认为是电化学可充电电池中有机溶剂的理想替代品，这归因于快速的离子迁移、易于加工、经济/环境友好性和阻燃性。这些非凡的优势推动了水性可充电电池作为可再生能源(例如风能和太阳能)的大规模存储设备的基础研究和工业应用。得益于上述优点，基于水电解质的可充电电池成为应用于风力/太阳能发电调峰的理想大型储能装置。
[0004]锌金属对水相对稳定，但在电化学条件下仍面临问题。在可充电电池中，水电解质锌电池由于负极材料的可比稳定性和低成本而备受关注。然而，锌电池的发展受到了一些挑战的严重阻碍，例如枝晶，析氢和副产物。特别是，水性电解质中的活性水会导致锌负极的副反应、金属腐蚀、不均匀的Zn
2+
迁移和阴极活性材料的严重脱附[eScience 2022,2,110
‑
115.]，从而导致较差的Zn
2+
剥离/电镀行为、较差的库仑效率和电池的早期故障。
[0005]因此，抑制水性可充电电池中水分子的活性是实现高可逆离子传输并延长电池寿命以用于实际应用的必要策略。为了延长电池在实际应用中的寿命，迫切需要一种替代策略来保持高离子迁移，同时降低水的活性。
[0006]到目前为止，已经做出了巨大的努力来通过降低游离水含量或改变电解质的溶剂化结构来调节水电解质中的水活性。最近，研究人员发现，通过降低水含量或控制水合作用，可以抑制水的反应性。例如，研究人员利用浓缩电解质或熔融电解质来降低游离水分子的百分比，并将水限制在金属离子的溶剂化壳中。立即，很多课题组利用浓缩的水溶液或熔融盐作为电解质，以降低水的重量比。或者，添加配体通过增强氢键[Nat.Mater.2020,19,1006
‑
1011]来约束水，从而降低水和电极之间的反应性。或者，使用配体或添加剂与水分子形成强氢键，从而降低水与电极之间的反应可能性。然而，这些策略损害了电化学反应的快速离子动力学，并且具有有限的速率性能，尽管电池性能在一定程度上得到了优化。然而，上述方法降低了离子迁移率，因此限制了电池性能。然而，很少系统地研究水的状态和动力学。同时，由于对水状态的理解有限，离子电解质的优化主要取决于性能评估。
[0007]因此，有必要精细地调节和解释水分子的活性，以平衡动力学(离子电导率和速率性能)和副反应(电池寿命)，从而实现实际的电池应用。因此，进一步表征水状态将单独促
进固体电解质的发展。
[0008]二维(2D)叠层膜具有纳米级或亚纳米级通道，据报道，这些通道具有特殊的弹道传输特性、异常的超快离子传输和二维受限空间下的水状态改变能力。近年来，二维(2D)层状结构，如氧化石墨烯、蛭石、LDH、BiOCl等在固体电解质的设计中受到了极大的关注[任文才老师，谢毅老师，黄嘉兴老师]，这是由于亚纳米2D毛细管中的超快离子传输。
[0009]特别是，与自由水相比，受限空间中的水表现出不同的水动力学[J.Phys.Chem.C 2021，125，16864
‑
16874]，我们认为可以利用它来控制水分子的活性。此外，2D毛细管中的承压水表现出异常聚集状态[Nature 2020,588,250
‑
253.],由于超高vdW压力[Nat.Commun.2016,7,12168.]。因此，2D材料家族提供了调节承压水迁移和反应性的机会。
[0010]因此，在这项工作中，利用2D层压膜的独特特性，我们设计了嵌入2D层压膜之间的承压水，以实现快速的阳离子传输和有限的水活性。在这项工作中，我们设计了一种基于蛭石和碳纳米纤维复合材料的1D/2D结构，其中蛭石提供了2D毛细管的结构，纳米纤维素被用于调节约束可以调节层间距。研究了Zn
2+
的输运取决于碳纳米纤维在1D/2D层状结构中的比例。通过与商用玻璃纤维的比较，进一步评估了1D/2D复合材料作为固体电解质的性能，并提供了阳极腐蚀和机械损伤的失效分析。在锌电池领域有着良好的应用前景，可以抑制电池的副反应，降低枝晶刺穿，并有着稳定可逆的Zn剥离和沉积。

技术实现思路

[0011]1.要解决的问题
[0012]针对现有枝晶刺穿的问题，本专利技术提供一种一维/二维复合结构导离子膜。
[0013]2.技术方案
[0014]为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0015]本专利技术公开了一种一维/二维复合结构导离子膜，一维结构在二维材料体系中可以实现对膜层间距的调控，可以实现对膜层间水的状态的调控，可以实现膜机械性能的提升。在锌电池领域有着良好的应用前景，可以抑制电池的副反应，降低枝晶刺穿，并有着稳定可逆的Zn剥离和沉积。
[0016]本专利技术第一方面提供一种一维/二维复合结构导离子膜，包括以下组分：
[0017]羧酸纤维素；和
[0018]蛭石纳米片；
[0019]所述复合结构导离子膜的XRD谱图中于6.0
±
0.3
°
处具有峰。该峰值代表膜内含有被羧酸纤维素层间隔开的蛭石纳米片层。
[0020]优选地，所述复合结构导离子膜中包含至少一个依次为第一蛭石纳米片层、羧酸纤维素层、第二蛭石纳米片层形成的夹层结构。
[0021]优选地，所述复合结构导离子膜中包含层间距为1.40～1.57nm的蛭石纳米片，所述层间距通过XRD计算得到。
[0022]优选地，所述复合结构导离子膜的XRD谱图中于7.0
±
0.3
°
处与6.0
±
0.3
°
处的峰面积比小于20％。
[0023]优选地，所述复合结构导离子膜的XRD谱图中于7.0
±
0.3
°
处没有峰。
[0024]优选地，所述复合结构导离子膜的厚度为10～60μm，优选为35～45μm。
[0025]优选地，所述复合结构导离子膜中羧酸纤维素与蛭石纳米片的质量比为(0.1～0.8):1，优选为(0.5～0.75):1。
[0026]本专利技术第二方面提供一种本专利技术第一方面任意方案的一维/二维复合结构导离子膜的制备方法，包括以下步骤：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一维/二维复合结构导离子膜，其特征在于，包括以下组分：羧酸纤维素；和蛭石纳米片；所述复合结构导离子膜的XRD谱图中于6.0
±
0.3
°
处具有峰。2.根据权利要求1所述的一维/二维复合结构导离子膜，其特征在于，所述复合结构导离子膜中包含至少一个依次为第一蛭石纳米片层、羧酸纤维素层、第二蛭石纳米片层形成的夹层结构。3.根据权利要求1所述的一维/二维复合结构导离子膜，其特征在于，所述复合结构导离子膜中包含层间距为1.40～1.57nm的蛭石纳米片，所述层间距通过XRD计算得到。4.根据权利要求1所述的一维/二维复合结构导离子膜，其特征在于，所述复合结构导离子膜的XRD谱图中于7.0
±
0.3
°
处与6.0
±
0.3
°
处的峰面积比小于20％。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：周凯歌，武美玲，李禹浩，
申请(专利权)人：物质绿色创造与制造海河实验室，
类型：发明
国别省市：