[发明专利]一种铁基双极膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铁基双极膜及其制备方法和应用。本发明的铁基双极膜为包括商业碱性膜层、二价铁离子中间层和Nafion酸性膜层的复合膜。所述的双极膜是在商业碱性膜上依次喷涂二价铁离子溶液和浇铸Nafion膜溶液，然后再经过风干和冷压的方法制备而成。本发明所制备的铁基双极膜中商业碱性膜带有阳离子基团，可实现OH^‑在碱性膜中的传导；Nafion系列膜具有高质子传导率，可实现H⁺在酸性膜中的传导；而铁离子作为中间催化层可与水分子之间发生催化水解离反应，提高水的反应活性，消弱水分子键；因此，本发明的铁基双极膜能够实现高效还原CO₂，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种铁基双极膜及其制备方法和应用，属于电化学还原CO₂技术领域。

背景技术

电化学CO₂还原(CO₂RR)是一项目前已被广泛认可的技术，其可将人类生产活动产生的CO₂作为碳源生产高附加值的燃料和化学品，同时有效缓解CO₂在大气中的排放[Chem.Soc.Rev.2014,45,631-675]。利用风能、太阳能、潮汐能及地热能等可再生能源发出的电，CO₂可以在电化学反应器中被转化为众多产物，如酸、醇、碳氢化合物和合成气等[Joule.2018,2,825-832]。不同产物的选择性取决于诸多影响因素，包括：催化剂的类型及其形态，电解质类型和浓度以及pH值，电解质流动特性，含水或非含水溶剂，温度、压力、电位和电流密度以及电解质中存在的杂质和电解池的设计等[ACS Catal.2017,7,4822-4827]。

通常，为了防止CO₂还原得到的产物扩散到阳极被氧化，且阴阳两极由于不同反应的发生，所使用的电解质类型也不尽相同。因此在阴阳两极之间往往需要增加一层高分子膜，用于分隔阴阳两极[Ind.Eng.Chem.Res.2019,58,1834-1847]。高分子膜的类型目前主要有三种，分别为：碱性阴离子交换膜、酸性膜和双极膜，其中酸性膜已被证实由于大量的质子传导到阴极将会增加竞争反应析氢，而碱性膜被证实具有较高的甲酸“穿透率”，从而造成CO₂还原液体产物的损失[Adv.Sustain.Syst.2018,2,1700187]。

与上述两种膜不同，双极膜的组成包括带正电荷的阴离子交换层(AEL)、中间催化层和带负电荷的阳离子交换层(CEL)[ChemSusChem.2014,7,3017-3020]，它可以在两种模式下工作:(a)正向偏压(V0)，此时膜的CEL朝向阳极，(b)反向偏压(V0)，此时CEL朝向阴极。在正向偏压模式下，电场导致可移动离子向界面区(IR)迁移，离子在结处聚集从而补偿层中的电荷，进而降低膜的选择性。相反，在反向偏压的模式下，当施加的外加电压到达某一值时，在AEL和CEL的界面处将发生水分子的分离，且在膜的内部存在一个增强电场效应，即第二维恩效应的Onsager定律[Electrochim.Acta.1986,31,1175-1177]，在外加电场的存在下，H⁺将通过CEL向阴极迁移，OH^-通过AEL向阳极迁移。双极膜相比单层碱性膜或酸性膜在电化学还原CO₂中具有突出优势：(a)双极膜作为隔膜时，阴阳两极可以使用两个不同pH值的电解质溶液，且在使用过程中可以维持两侧电解质的pH；(b)液体产物从阴极到阳极的“穿透”(crossover)可以忽略；(c)当阴、阳两极的电解质为纯水时，电解质的酸化和碱化无需添加额外的酸和碱。

然而，国内在电化学还原CO₂领域，无论是高校还是科研机构仍集中于电催化剂的开发。目前人们已经开始研究反应装置和电解质，而对于双极膜还无人涉足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何利用商业碱性膜制备可用于高效电化学还原CO₂的双极膜的技术问题。