一种含多孔有机笼催化中间层双极膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种含多孔有机笼催化中间层双极膜及其制备方法和应用，属于双极膜技术领域。本发明专利技术提供了一种含多孔有机笼催化中间层双极膜，包括阴极膜、阳极膜和设置在所述阴极膜、阳极膜之间的催化中间层，所述催化中间层包括包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼；所述多孔有机笼的成分为CC3R。本发明专利技术以多孔有机笼(POCs)包覆Fe金属纳米颗粒(简写为FeNPs@CC3R)作为催化中间层，通过POCs包覆可以较好分散Fe金属纳米颗粒，避免Fe金属纳米颗粒团聚，提高Fe金属纳米颗粒的分散性；POCs具有开放的窗口结构，能够暴露出Fe金属纳米颗粒的活性位点，最终得到具有超高催化性能的催化层，促进水的解离。促进水的解离。促进水的解离。

【技术实现步骤摘要】
一种含多孔有机笼催化中间层双极膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及双极膜
，特别涉及一种含多孔有机笼催化中间层双极膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]双极膜是一种特殊类型的离子交换膜，由阴离子交换膜、阳离子交换膜及两膜层之间的中间层构成。在高电场的作用下，水分子在双极膜的中间层解离成氢离子与氢氧根离子，从而将原料液中的盐溶液变为对应的酸及碱。双极膜水解离技术清洁环保，所涉及过程均无有害气体产生，可应用于多种化工过程。如冶金工业、海水淡化、太阳能产氢等环境保护和资源回收领域。
[0003]为了提高双极膜水解效率，可在中间层引入催化剂用于提高水解离反应活性。目前使用的催化剂为金属氧化物/金属氢氧化物、金属盐等，在膜表面分散性差、易团聚形成大尺寸粒子，降低了金属原子的利用率和催化效率。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种含多孔有机笼催化中间层双极膜及其制备方法和应用，本专利技术提供的含多孔有机笼催化中间层双极膜具有良好的水解离性能。
[0005]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：
[0006]本专利技术提供了一种含多孔有机笼催化中间层双极膜，包括阴极膜、阳极膜和设置在所述阴极膜、阳极膜之间的催化中间层，所述催化中间层包括包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼；所述多孔有机笼的成分为CC3R。
[0007]优选的，所述催化中间层的厚度为10～1000nm。
[0008]优选的，所述阴极膜的主体材料为聚偏氟乙烯；所述阳极膜的主体材料包括聚偏氟乙烯和磺化聚偏氟乙烯复合物
[0009]优选的，所述包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼的制备方法，包括以下步骤：
[0010]将1,3,5
‑
苯三甲醛、三氟乙酸、(R,R)
‑
1,2
‑
二氨基环己烷和二氯甲烷混合，进行结晶反应，得到CC3R；
[0011]将CC3R的有机溶液、氯化铁的有机溶液混合，蒸发有机溶剂，得到FeCl3@CC3R晶体；
[0012]将所述FeCl3@CC3R晶体置于还原性气氛中，进行还原反应，得到包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼。
[0013]优选的，所述1,3,5
‑
苯三甲醛与(R,R)
‑
1,2
‑
二氨基环己烷的质量比为0.1～2:0.1～2；
[0014]所述1,3,5
‑
苯三甲醛的质量与三氟乙酸的体积比为0.1～2g：1～30μL；
[0015]所述还原反应的温度为50～300℃，时间为0.5～3h。
[0016]本专利技术提供了上述含多孔有机笼催化中间层双极膜的制备方法，包括以下步骤：
[0017]将阴极膜单侧浸泡于胺基活性剂溶液中，水洗后得到一侧浸有胺基活性剂的阴极膜；将阴极膜浸有胺基活性剂的一侧交替浸泡负极药剂溶液和正极药剂溶液，进行改性处理，得到改性阴极膜；
[0018]在所述改性阴极膜的改性表面涂覆包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼，于改性阴极膜表面获得多孔有机笼催化中间层；
[0019]在所述多孔有机笼催化中间层表面涂覆阳极膜铸膜液，得到含多孔有机笼催化中间层双极膜。
[0020]优选的，所述阴极膜的制备方法，包括以下步骤：
[0021]将聚偏氟乙烯、成孔剂和溶剂混合，得到阴极膜铸膜液；
[0022]将所述阴极膜铸膜液进行成膜，得到阴极膜。
[0023]优选的，所述负极药剂为海藻酸钠、聚(4
‑
苯乙烯磺酸钠)、聚丙烯酸和聚(对苯乙烯磺酸钠)中的一种或几种；
[0024]所述正极药剂为多巴胺、聚乙烯亚胺、聚烯丙基胺盐酸盐、聚(二烯丙基二甲基氯化铵)和壳聚糖中的一种或几种。
[0025]优选的，以质量百分含量计，所述阳极膜铸膜液的组成包括：
[0026]聚偏氟乙烯
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1～15％；
[0027]磺化聚偏氟乙烯
ꢀꢀꢀꢀꢀ
1～30％；
[0028]溶剂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
余量。
[0029]本专利技术提供了上述含多孔有机笼催化中间层双极膜在水解离中的应用。
[0030]本专利技术提供了一种含多孔有机笼催化中间层双极膜，包括阴极膜、阳极膜和设置在所述阴极膜、阳极膜之间的催化中间层，所述催化中间层包括包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼；所述多孔有机笼的成分为CC3R。本专利技术以多孔有机笼(POCs)包覆Fe金属纳米颗粒(简写为FeNPs@CC3R)作为催化中间层，通过POCs包覆可以较好分散Fe金属纳米颗粒，避免Fe金属纳米颗粒团聚，提高Fe金属纳米颗粒的分散性；POCs具有开放的窗口结构，能够暴露出Fe金属纳米颗粒的活性位点，最终得到具有超高催化性能的催化层，促进水的解离。实施例结果表明，本专利技术提供的含多孔有机笼催化中间层双极膜电化学性能显示，在300mA cm
‑2电流密度时跨膜电压仅为7.25～7.89V，EIS检测得出R
b
值为6.42～7.14Ω。双极膜150分钟酸碱浓度可达到110mmol L
‑1，展现优异的水解性能。
[0031]本专利技术提供了上述含多孔有机笼催化中间层双极膜的制备方法，此法操作简单，原料来源广泛，易于实现工业化批量生产。
附图说明
[0032]图1为实施例1所得FeNPs@CC3R的微观结构图。
具体实施方式
[0033]本专利技术提供了一种含多孔有机笼催化中间层双极膜，包括阴极膜、阳极膜和设置在所述阴极膜、阳极膜之间的催化中间层，所述催化中间层包括包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼；所述多孔有机笼的成分为CC3R。
[0034]在本专利技术中，所述阴极膜的主体材料优选为聚偏氟乙烯，所述阴极膜的厚度优选
为50～150μm，更优选为100μm。
[0035]在本专利技术中，所述阴极膜优选为单侧涂覆胺基活性剂溶液的阴极膜。在本专利技术中，所述胺基活性剂溶液优选为胺基活性剂的三羟甲基氨基甲烷
‑
丙烯酸缓冲溶液，所述三羟甲基氨基甲烷
‑
丙烯酸缓冲溶液的pH值优选为8.5。
[0036]在本专利技术中，所述胺基活性剂优选为多巴胺、盐酸多巴胺、聚乙烯亚胺和支化聚乙烯亚胺中的一种或几种。在本专利技术中，所述胺基活性剂溶液的质量浓度优选为1～5g/L，更优选为1～2g/L。本专利技术通过在阴极膜表面涂覆胺基活性剂，能够增加基膜活性位点。
[0037]在本专利技术中，所述阳极膜的主体材料优选包括聚偏氟乙烯和磺化聚偏氟乙烯。在本专利技术中，所述聚偏氟乙烯和磺化聚偏氟乙烯的质量比优选为9～15:30～70，更优选为11～13:40～60。在本专利技术中，所述阳极膜的厚度优选为10～50μm，更优选为20～40μm。
[0038]在本专利技术中，所述催化中间层包括包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼；所述多孔有机笼的成分为CC3R。在本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含多孔有机笼催化中间层双极膜，包括阴极膜、阳极膜和设置在所述阴极膜、阳极膜之间的催化中间层，所述催化中间层包括包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼；所述多孔有机笼的成分为CC3R。2.根据权利要求1所述的含多孔有机笼催化中间层双极膜，其特征在于，所述催化中间层的厚度为10～1000nm。3.根据权利要求1所述的含多孔有机笼催化中间层双极膜，其特征在于，所述阴极膜的主体材料为聚偏氟乙烯；所述阳极膜的主体材料包括聚偏氟乙烯和磺化聚偏氟乙烯复合物。4.根据权利要求1或2所述的含多孔有机笼催化中间层双极膜，其特征在于，所述包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼的制备方法，包括以下步骤：将1,3,5
‑
苯三甲醛、三氟乙酸、(R,R)
‑
1,2
‑
二氨基环己烷和二氯甲烷混合，进行结晶反应，得到CC3R；将CC3R的有机溶液、氯化铁的有机溶液混合，蒸发有机溶剂，得到FeCl3@CC3R晶体；将所述FeCl3@CC3R晶体置于还原性气氛中，进行还原反应，得到包覆铁纳米颗粒的多孔有机笼。5.根据权利要求4所述的含多孔有机笼催化中间层双极膜，其特征在于，所述1,3,5
‑
苯三甲醛与(R,R)
‑
1,2
‑
二氨基环己烷的质量比为0.1～2:0.1～2；所述1,3,5
‑
苯三甲醛的质量与三氟乙酸的体积比为0.1～2g...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵劼，张伟，李凯，孙鑫，宁平，王飞，李原，马懿星，施磊，李波，黄煜晰，张宁，
申请(专利权)人：广东省蔚蓝环境技术研究院江西省润穹环保科技有限公司云南蔚蓝环境工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：