碱性水电解中聚砜类复合隔膜的制备及性能研究

作     者：朱晴晴 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于景华

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：碱性水电解 复合隔膜 亲水性 机械性能 气密性 

摘      要：碱性水电解技术作为最有前途的绿色制氢技术正在快速发展,有望形成具有成本竞争力的大规模制氢技术。碱性水电解中使用的隔膜是整个制氢装置中的核心组分。虽然锆石隔膜已经在商业中被广泛运用,但其存在价格昂贵、气密性和水电解性能差等缺点。本文为提高隔膜的亲水性、气密性和水电解等性能,从制备隔膜的有机聚合物和无机颗粒入手寻求解决思路,设计并制备了亲水性、气密性以及水电解等性能优异的复合隔膜用于碱性水电解,具体研究内容如下: （1）为增加复合隔膜的亲水性,以聚砜为有机聚合物,聚乙烯吡咯烷酮作为造孔剂,二氧化锆和壳聚糖为亲水性颗粒,调节壳聚糖与二氧化锆的含量比,制备出一系列CSxZy复合隔膜,并对所制备的复合隔膜的性能进行研究。其中,CS3Z12复合隔膜表现出最优的综合性能,接触角低至55.1°,孔隙率高达60.8%。优异的亲水性保证了CS3Z12复合隔膜在具有良好的碱性水电解性能(1.83 V下电流密度达到650 m A cm-2)同时具有0.20Ωcm2的低面积电阻。 （2）在（1）的研究基础上,为了改善壳聚糖与二氧化锆的相容性以及复合隔膜机械性能,利用金属有机骨架化合物（ZIF-8）对壳聚糖（CS）进行改性,合成了PSU-CS-5和一系列PSU-ZIF-8/CS-n复合隔膜。结果表明,ZIF-8材料在复合隔膜中具有优异的造孔能力以及ZIF-8/CS界面上的非化学相互作用,使得制备的复合隔膜具有更为优异的亲水性、机械性能和水电解性能。其中,PSU-ZIF-8/CS-15复合隔膜表现出最优的性能,孔隙率为65.6%,接触角低至46.3°;碱性水电解性能(1.83 V下电流密度达到700 m A cm-2)也得到进一步提高,面积电阻降低至0.18Ωcm2。此外,PSU-ZIF-8/CS-15复合隔膜的机械性能也得到进一步提升,其拉伸强度达到3.2 MPa,足以满足在碱性水电解中的应用。 （3）在（1）和（2）的研究基础上,为进一步改善复合隔膜的综合性能,以聚砜为有机聚合物,聚乙烯醇为掺杂剂,使用层状的勃姆石作为新型亲水性无机颗粒。聚乙烯醇不仅可以增强复合隔膜的机械性能,还可以增强其亲水性,提高离子传输速率进而降低电阻。此次工作通过研究聚乙烯醇的含量对复合隔膜性能的影响,制备了一系列n%-PVA/PSU-Al OOH复合隔膜。其中,5%-PVA/PSU-Al OOH复合隔膜不仅具有优良的亲水性（接触角低至41.0°）,而且具有合适的孔隙率（55.4%）,保证了其优异的气密性（泡点压力高达6.5 bar）。此外,其碱性水电解性能(1.83 V下电流密度达到810 m A cm-2)和机械性能（拉伸强度达到7.8 MPa）均得到了明显提升。