[发明专利]一种酸碱水电解用复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于水电解领域，具体是涉及一种酸碱水电解用复合膜及其制备和应用。原料为聚苯并咪唑和C₃N₄，C₃N₄的质量分数为0.1‑1.5wt.％；先制备聚苯并咪唑和C₃N₄纳米片，再将PBI和C₃N₄纳米片分别分散于溶剂中，得到PBI溶液S1、C₃N₄纳米片分散液S2，将S1、S2均匀混合、搅拌后得到铸膜液S3，将其浇铸在带凹槽的平板玻璃上，真空干燥后得到酸碱水电解用复合膜。该复合膜具有良好的机械性能，应用于酸碱水电解中可以显著降低水电解的分解电压，降低能耗，展示出良好的电池性能。

技术领域

本发明属于水电解领域，具体是涉及一种酸碱水电解用复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

水电解提供了一种由水制氢的能量转化路线，如果电解水的电源完全来自可再生能源，便可真正地实现CO₂的零排放。通过这种方式获得的氢气纯度非常高，可达99.99％以上。常规的水电解的研究主要集中在碱水电解、碱性固态电解质水电解、质子交换膜水电解、高温固体氧化物水电解。然而以上的水电解均存在酸性析氧反应(OER)动力学速率较慢或者碱性析氢反应(HER)动力学速率较慢的问题，造成了实际电解电压(槽电压)远高于液态水的理论电解电压。

为解决上述问题，Journal of Energy Chemistry 38,162,(2019)公开了一种将Nafion115膜作为隔膜，膜一侧通入H₂SO₄溶液，另一侧通入KOH溶液。这种设计可以充分利用酸性介质中析氢反应动力学速率较快和碱性介质中析氧反应动力学速率较快的优点，一定程度上降低了实际电解电压。然而Nafion膜本身为酸性膜，与碱液接触的一侧容易与氢氧根发生中和反应，使得该侧膜的寿命、电导率大幅度下降，造成电解池的电解性能和稳定性的降低。此外工业界提出了一种“双极膜”的结构，即将阳离子交换膜与阴离子交换膜叠加在一起，阳离子交换膜的一侧与酸液接触。阴离子交换膜的一侧与碱液接触，避免了酸性Nafion膜作为隔膜所具有的缺点。但是由于阳离子交换膜与阴离子交换膜两者分子结构相差巨大，膜与膜之间缺乏有效的粘结剂，造成了双极膜具有很大的膜电阻，大幅度抵消了双极膜水电解的技术优势。

综上所述，本领域尚缺乏一种具有高稳定性、高力学强度、高电解性能、低能耗的酸碱水电解用复合膜。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种兼具高稳定性、高力学强度、高电解性能、低能耗的酸碱水电解用复合膜，并提供了复合膜的制备方法和应用。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种酸碱水电解用复合膜，所述复合膜的原料为聚苯并咪唑和C₃N₄，所述C₃N₄的质量分数为0.1-1.5wt.％。

上述技术方案中，进一步地，所述聚苯并咪唑为mPBI(聚2,2'-(间苯基)-5,5'-联苯并咪唑)，或ABPBI(聚(2,5-苯并咪唑))，或mPBI与ABPBI的混合物，或mPBI与ABPBI的共聚物(m-ABPBI)。

上述技术方案中，进一步地，所述mPBI的制备方法为溶液聚合法，所述方法包括以下步骤：

(1)将多聚磷酸倒入三口烧瓶，在140-160℃油浴中加热搅拌并通入氮气保护，氮气流量为100-400mL/min，持续加热30-60min；

(2)加入适量3,3'-二氨基联苯胺，在140-160℃油浴中搅拌2-5h，搅拌速率为300-800r/min；