[发明专利]用于选择性传输阳离子通过薄膜的电解液分离薄膜及用于制造薄膜的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于选择性传输阳离子通过薄膜的电解液分离薄膜、一种用于制造所述薄膜的工艺、以及一种用于选择性传输阳离子通过薄膜的工艺。

背景技术

由具有钼簇的硫族化物形成的薄膜是已知的，尤其是称为谢夫尔相(Chevrel phase)的Mo₆X₈相位，在国际专利申请WO 2009/007598中进行了描述，用于传输阳离子通过所述薄膜。

这个文献描述了可传输阳离子通过具有称为谢夫尔相的化学式为Mo₆X₈(其中X＝S、Se或Te)的材料制成的薄膜，其中，发生以下类型的可逆的氧化还原系统：

其中，n是整数，并且Mⁿ⁺是金属阳离子。硫族元素的以及三元Mⁿ⁺的化学计量学x的阳离子Mⁿ⁺的性质使这些系统多样化。

在应用选择性传输工艺的实验设置中，传输薄膜放在两个隔室之间，这两个隔室分别包括具有用作阳极的镀铂钛的电极和具有用作阴极的金属电极(具有不锈钢、铝、铜或涂铂钛)或者玻璃碳。第一隔室包含第一电解液，该第一电解液包含要处理的流出物的不同阳离子。第二隔室包含第二电解液，该第二电解液用于接收选择的阳离子。

在阳极与阴极之间形成直流电。在两个隔室构成的组的整体电化学操作中，根据以下公式，在M_xMo₆S₈/第一电解液界面处发生阳离子的嵌入(要处理的流出物例如为阳离子Mⁿ⁺、M’ⁿ⁺、M”ⁿ⁺的混合物)：

根据以下公式，在M_xMo₆S₈/第二电解液界面处相互地执行同一个阳离子Mⁿ⁺的脱嵌(例如，用于增加Mⁿ⁺值的溶液)：

因此，金属阳离子在谢夫尔相内的移动性允许将去溶剂化的阳离子Mⁿ⁺从一种介质中传输至另一种介质，而不传输任一个隔室的任何其他化学物种。

通过适于期望材料的化学计量的成分粉末的混合物的热烧结，而获得作为圆盘的传输薄膜。通过这种方式，从而获得厚度为2到5毫米的活性材料的圆盘。

用由硒酸盐和含硫相位构成的薄膜的测试表明，尤其地，以下金属的阳离子可以从一种电解液中传输给另一种电解液，所述金属为：铁、锰、钴、镍、铜、锌、镉。获得的电流密度极限包含在10与20A/m²之间，感应电流产率大于90％或者甚至大于98％，具有非常好的选择性。

测试还表明传输速率随着薄膜厚度的减小而增大。然而，薄膜所需要的机械强度限制了其厚度的减小。

在文献WO 2012/010766A1中，提出了制造包括两层的传输薄膜。例如，支撑件层由多孔陶瓷材料制成，并且所谓的第二活性层沉积在支撑件上。通过使用包括作为粉末、粘合剂以及溶剂的活性材料的成分进行涂覆，实现第二层的沉积。随后，溶剂蒸发。这样产生的活性层具有大约50到100μm的厚度并且被密封。另一方面，支撑件是可渗透的并且允许电解液包含在支撑件的侧部上以获得活性层。可以引起前面讨论的反应。使用这种薄膜，在感应电流产率方面保持先前的结果，但是提供获得乘以5倍或更大电流密度的可能性。

本文献还说明了还可以从金属硫族化物或锂化合物以及金属的氧化物、磷酸盐或氟化物的化合物中选择活性层的主晶格，所述金属选自镍、钴、铁、锰、钒或钛。这种主晶格还能够传输金属阳离子，尤其能够传输锂。

在小样本上用陶瓷制造支撑件是容易的，但是难以大幅增大这些支撑件的尺寸，这限制了工业上使用该工艺的可能性。

本发明涉及提供一种电解液分离薄膜，其具有由能够引起嵌入和脱嵌反应的材料制成的活性层，用于选择性传输阳离子通过薄膜，该薄膜可以制造成具有大尺寸。

发明内容

考虑这些目标，本发明的目标是一种薄膜，包括：支撑件，其由多孔并且可渗透的材料构成；以及活性层，其由能够引起嵌入和脱嵌反应的材料制成，用于选择性传输阳离子通过所述薄膜，所述活性层沉积在支撑和密封层上，其中，所述支撑件是热塑性合成材料的。