阴离子交换膜离子传导率与耐碱稳定性研究进展

碱性膜电解水制氢和燃料电池技术是氢能产业链上的重要产氢和用氢技术。作为碱性膜电解槽及燃料电池的核心部件,阴离子交换膜承担着传递氢氧根离子、阻隔气体渗透、分隔正负两极的重要作用,决定着电化学过程效率和性能.现有阴离子交换膜的氢氧根传导率偏低和耐碱稳定性不高的问题严重制约着产氢和氢能转化效率.本文综述了近年来面向碱性膜电解水制氢和燃料电池应用的阴离子交换膜的发展动态,特别是在强化离子传导率、提高耐碱稳定性方面的方法和进展,以及膜材料化学组成和结构对膜性能的影响.

大连化物所设计开发出具有K^(+)高效传输能力的离子传导膜

近日,中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员李先锋团队与分子反应动力学国家重点实验室分子模拟与设计研究组研究员李国辉团队合作,在离子传导膜材料的结构设计与研究方面取得新进展.该团队设计膜内离子传输通道,实现了K^(+)快速传输,并探究了膜结构和离子传输机理.

面向二氧化碳电化学利用的离子传导膜研究进展

利用可再生电力将化石能源利用过程中排放的CO_(2)还原为增值含碳化学品,不仅可以解决CO_(2)排放问题,还可以实现可再生能源存储,是实现我国“双碳”目标的重要途径.离子传导膜作为CO_(2)电解池中的重要组成部分,一方面其离子电导率决定了电能到化学能的转化效率;另一方面对不同离子的选择性和渗透性极大地影响了阴极催化剂反应微环境,进而影响了CO_(2)电催化还原性能和电极稳定性.本文总结了近些年包括室温离子交换膜、中高温耐热高分子膜和固体氧化物膜的不同离子传导膜在电催化CO_(2)转化中的应用,介绍了不同离子传导膜对CO_(2)还原反应、电极稳定性、产物收集等方面的影响,提出了不同离子传导膜在CO_(2)电还原转化利用过程中存在的问题与挑战,并给出了相应解决策略,最后对未来离子膜在CO_(2)电化学转化利用领域的研究进行了展望.

中国科大实现微孔框架离子膜内近似无摩擦的离子传导

中国科学技术大学徐铜文/杨正金教授团队与合作者针对离子膜普遍存在的“传导性-选择性”相互制约关系,提出一类新型三嗪框架聚合物离子膜.基于刚性通道的限域效应和通道内的“离子配位”机制,这类膜材料展示出了近无摩擦的离子传递,实现了水系有机液流电池快充,电池充放电电流密度达到500mA/cm2,是当前普遍报道值的5倍以上.

我国学者在离子传导聚合物膜方面取得进展

在国家自然科学基金项目(批准号:21922510、21878281、U20A20127、52021002)等资助下,中国科学技术大学杨正金/徐铜文教授团队,在离子膜领域取得了新进展.相关研究成果以“三嗪框架离子膜内近无摩擦的离子传导(Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes)”为题。

基于动态亚胺键结合的自粘附纳米纤维素-明胶离子传导凝胶的构建与性质

聚合物水凝胶通常具有优异的亲水性、粘附性、导电性等性能,可广泛应用于柔性传感、药物输送、环境等领域。针对天然高分子水凝胶存在的力学性能、导电性能等的不足,采用将含醛基的纳米纤维素与含氨基的明胶进行结合以形成动态亚胺键,并通过引入纳米蛭石形成的快速离子传输通道,以改善天然聚合物水凝胶的离子导电性。其次,采用物理共混方法将单宁酸引入到凝胶体系中,形成多重氢键网络,进一步提高凝胶的力学性能。同时,得益于单宁酸自身的儿茶酚结构能够与不同表面形成可逆非共价相互作用,从而赋予了凝胶优异的自粘附能力。结果表明:纳米纤维素-明胶离子传导凝胶的拉伸强度达到43.35kPa,应变提高了50倍,较未添加纳米蛭石凝胶提高了300%,弹性模量达到2870kPa,较未添加纳米蛭石凝胶提高了18倍,导电性能提高了92.4%,可作为柔性传感器用于人体运动监测,在智能可穿戴设备领域具有良好的应用潜力。

高性能离子交换膜构效关系、多离子传导机理及其制备方法的研究年度总结报告

在前期研究基础上,成功开发出不同结构的膜材料,包括非氟离子交换膜、非氟多孔离子传导隔膜及部分含氟隔膜材料等,并对其构效关系、成膜工艺进行了初步研究。2013年度围绕离子交换膜氧化稳定性降解机理以及多孔离子传导膜的构效关系和非氟离子传导膜规模放大工艺以及放大过程中的基础科学问题展开研究。阐明了非氟离子交换膜的降解机理、掌握了高选择性、高电导率和高稳定性多孔离子传导膜的构效关系,为液流电池离子交换膜的研究提供理论指导。在原创性提出多孔离子传导隔膜的基础之上,成功解决了非氟多孔离子传导隔膜离子选择性与传导性地矛盾,开发出高选择性、高稳定性非氟多孔离子传导隔膜。建立了高性能低成本离子传导膜的合成路线和工艺,确立膜材料的规模放大工艺,在一定程度上解决商业化全氟磺酸离子交换膜价格昂贵、离子选择透过性差等缺点,加快了液流电池的商业化进程。

交替马来酸酐共聚物多缩乙二醇酯盐络合物的离子传导性

交替马来酸酐共聚物多缩乙二醇酯盐络合物的离子传导性丁黎明，林云青，周子南，王佛松（中国科学院长春应用化学研究所，长春，１３００２２）关键词高分子固体电解质，离子电导率，玻璃化转变温度，离子传输，ＶＴＦ方程１９７３年，Ｐ．Ｖ．Ｗｒｉｇｈｔ等人［１］首次...

聚离子液体/PVDF共混离子传导膜的制备与性能研究

以研究高电导率、高稳定性的新型离子传导膜为目标,为电池领域的应用奠定基础。通过选用同时具有双键和离子交换基团的离子液体单体,能够制备聚离子液体的新型离子传导膜材料。采用溶剂法将聚偏氟乙烯(PVDF)和离子液体(ILS)共混,在加温条件下使离子液体单体之间发生聚合反应,制得高分子互穿网络结构的离子传导膜。系统研究了制膜过程的成膜温度、离子液体浓度等条件对膜电导率、拉伸强度等性能的影响。结果表明PILs/PVDF共混膜具有较高电导率和拉伸强度,离子液体含量对膜性能有显著影响。当膜中PILs和PVDF的质量比为0.6时,膜电导率为3.0×10-3 S·cm-1,拉伸强度为17.38 N·mm-2。

固体电解质中的粒界·界面离子传导

本文综述了固体电解质材料中的粒界·界面离子传导现象及理论模型的发展概况。

聚甲基硅氧烷与极性物质、锂盐共混体系的离子传导性能

利用聚二甲基硅氧烷的柔顺性和成膜性，以及极性物质溶解无机盐的性能，制得了有较高离子传导率的高分子固体电解质膜．极性物质的种类与含量，高氯酸锂的含量及温度对膜的离子传导性有影响。由聚二甲基硅氧烷，聚乙二醇双锂及高氯酸锂组成的共混体系其离子传导率室温达２．６３×１０－５Ｓｃｍ－１．当此体系不含高氯酸锂且醇锂含量较高时．随醇锂含量增加膜离子传导率增加较快，室温下最高可达２．２４×１０－６ｃｍ－１，有可能得到性能较好的含聚乙二醇锂的单离子导体。

全钒液流电池离子传导膜研究进展

全钒液流电池(VFB)作为大容量、快速充放电、高效率的液流储能电池,是满足风能、太阳能发电及智能电网对大规模储能需求的一种理想储能装置。作为VFB的关键功能材料之一,离子传导膜既起到分隔正负极、防止电池短路的作用,又具备电荷载体的传导功能。介绍了VFB的工作原理及商业化离子传导膜的研究应用现状,对比分析了非氟离子传导膜实现电荷载体传导功能的改性方法,为新型离子传导膜的设计提供科学基础。

齐聚醚接枝聚环氧氯丙烷中的离子传导行为

以具有良好力学性能的无定形聚环氧氯丙烷(PECH)为主链,不同长度的齐聚醚为侧链,合成了一系列不同取代度的接枝共聚物(GECH)。研究了高氧酸锂溶于该聚合物介质中的离子传导行为。接枝改性使络合物的离子电导率提高近三个数量级。离子传导行为与聚合物基体的玻璃化转变温度之间表现出明显的相关性,进一步为聚合物无定形态介质中离子传导的自由体积理论的解释提供了证据。

硫化物固体电解质材料的离子传导率测量方法

在电化学领域尤其是锂离子电池领域里,电化学阻抗谱作为重要的电化学测量方法得到广泛的应用。通过对硫化物固体电解质材料的离子传导进行分析,研究了锂离子在固体电解质材料中的传导方式,并对模型的应用性进行了验证与探讨,为实际工作中材料离子传导性能的检测提供了一种比较简便的方法。

无定形聚合物电解质的离子传导

《无定形聚合物电解质的离子传导》一文描绘了无定形聚合物电解质中离子传导的一般图像,并阐明了离子电导与温度、压力、食盐浓度、分子量、粘滞系数等的关系,是对物质的微观认识,令人“洞幽见微”。

基于离子传导增强的多孔催化剂及其直接硼氢化钠燃料电池的研究

多孔碳材料具有比传统碳载体更大的比表面积,具备担载更多电催化活性位点的能力。但多孔催化剂的孔内传质阻力较大,特别是孔内离子难以有效传导,导致电极反应的活性位利用率低下,电极过电位增大。直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)是一种电动势高,无需贵金属作为催化剂的高能量密度碱性燃料电池,但较大的阴极极化导致电池能量密度难以提高。强化阴极催化剂的离子传导能力是降低阴极极化的有效手段之一。将阳离子交换树脂(Nafion)真空灌注于多孔催化剂孔道内可强化阳离子传导,以此提高催化位点利用率。得到的产物通过球磨粉碎得到外表面无树脂覆盖的催化剂粒子,以此避免树脂对粒子外表面覆盖对电子导电性的影响,从而降低电极极化提高催化性能。研究表明,以葡萄糖为碳源、吡咯为氮源、硝酸钴为过渡金属源制备的阴极催化剂,通过电子、离子传导强化处理,催化性能显著提高。使用了强化处理的催化剂的DBFC,室温下最大功率密度达到了280 mW×cm^(-2),其性能超过了铂的质量分数为28.6%的碳载铂催化剂。

多孔离子传导电池隔膜研究进展

具有高离子选择性和高电导率的离子传导膜对于以新能源为主体的新型电力系统(如液流电池、燃料电池、锂电池等)至关重要。近年来,研究者们提出了构建多孔离子传导膜以应对传统隔膜普遍存在的离子选择性和电导率之间的权衡效应。本综述从无机多孔离子传导膜、有机多孔离子传导膜以及多孔离子传导复合膜三个方面简要概述了近年来多孔离子传导膜作为电池隔膜的最新研究进展,总结了多孔离子传导膜在液流电池、燃料电池、锂电池等新能源电池中的前沿性工作,并指出未来多孔离子传导电池隔膜的研究将重点关注多孔膜结构的调控、高性能多孔膜材料的开发以及多孔膜在新型电池中的应用。

弱相互作用调控表面活性剂自组装(Ⅳ)——在离子传导方面的应用

表面活性剂分子是典型的两亲分子,由于其具有润湿、乳化、起泡、分散、增溶等多种性能,已在日化行业、食品工业、三次采油、细胞作用和酶效应领域得到广泛的研究及应用。表面活性剂分子具有两亲性,可以在非共价键弱相互作用的驱动下在溶液中自发形成各种有序聚集体结构。得益于有序聚集体的结构效应和尺寸效应,可以进一步拓展表面活性剂在离子传导方面的应用。这些有序聚集体可以为离子的传输提供连续的传导通道,进而大大提高离子的传导效率。

Li-SGO掺杂半互穿网络型多孔单离子传导聚合物复合电解质的制备

本文成功制备了磺酸锂功能化石墨烯,通过原位聚合方式成功将其添加到单离子传导聚合物电解质中制备出磺酸锂功能化石墨烯改性半互穿网络型多孔单离子传导聚合物复合电解质。与未掺杂磺酸锂功能化石墨烯半互穿网络型多孔单离子传导聚合物电解质相比,该电解质具有更高的孔隙率、吸液率、机械拉伸强度和离子电导率。电化学测试结果表明,掺杂磺酸锂功能化石墨烯后,单离子传导聚合物电解质表现出与电极界面更好的相容性,组装的Li|LiFePO_(4)锂离子电池表现出良好的循环性能和更高的倍率性能。对氧化石墨烯磺酸锂功能化可应用于对单离子传导聚合物电解质的改性,有助于提升单离子传导聚合物电解质的综合性能,获得更高的电池性能。

二元协同的广泛pH单向离子传导膜

北京航空航天大学的高龙成副教授、范霞副教授以及中科院理化技术研究所的闻利平研究员课题组报道了一种快速、大面积制备广泛pH单向离子传导膜,是一种由不同孔径、相反电荷的两性离子通道构成的有机/无机杂化薄膜.