一种Nafion基离子选择膜及其制备方法和应用

本发明属于新能源领域，涉及利用海水和淡水的浓差梯度进行发电，具体涉及一种nafion基离子选择膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、石油、煤等传统化石能源总量有限，且燃烧排放过程会对环境造成不利影响，面对当前全球激增的能源需求，有必要开发新型可持续的清洁能源。渗透能是一种由高盐度的海水和淡水之间的盐差梯度产生的能量，是一种生态友好型的可再生蓝色能源。根据理论计算估计，全球海洋中蕴含的渗透能可达到约2.6太瓦（1012w）。基于离子选择膜的反向电渗析是迄今为止最有前途的收集渗透能的方法，在反向电渗析过程中，不同浓度的溶液在混合过程中释放的吉布斯自由能，可通过具有特定电荷极性的离子选择层传输并直接转化为电能。

2、过去二十年中纳米技术和纳米材料的进步极大地促进了渗透能转换的研究，例如，单层 二硫化钼纳米孔的渗透能功率密度可达到约106w m-2，但电流和功率分别在纳安和纳瓦量级，且难以集成，无法实际应用。而现有的商业离子交换膜存在一些显著缺陷，以常见的商用nafion膜为例，在水中长时间工作会发生溶胀，输出功率密度出现急剧下降。近年来，研究者提出了各种提高渗透能转换效率的纳米通道设计策略。例如，具有可控离子传输功能的二维纳米流体通道，其浓差发电的功率密度可达到5 w m-2。以基于阳极氧化铝多孔模板的复合膜为例，拥有规整的纳米通道，但薄膜尺寸会受到基底的限制，难以实现大面积规模化量产；其他类似的纳米通道膜都由于生产工艺复杂，很难进行批量制备，工业化生产和应用受到限制。总之，当前离子选择膜面临的巨大挑战是难以宏量制备且浓差发电功率较低，无法满足实际应用的需求。

3、因此，有必要设计一种能够大面积规模化制备的离子选择膜，且在浓差环境下可以长时间稳定工作，利用浓差梯度进行高效的发电。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中浓差发电技术输出功率低的问题，提供一种nafion基离子选择膜及其制备方法和应用。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种nafion基离子选择膜，采用全氟磺酸基聚合物和无机纳米材料复合而成，所述无机纳米材料采用氧化石墨烯、羧基化的碳纳米管材料、羟基化的碳纳米管材料中的任意一种。

4、本发明还公开了一种该nafion基离子选择膜的制备方法，包含以下步骤：

5、步骤1），将氧化石墨烯悬浮液与nafion溶液混合，搅拌均匀后得到混合溶液；

6、步骤2），对混合溶液进行除泡处理后，将混合溶液均匀地刮涂在玻璃基底上；

7、步骤3），对均匀刮涂有混合溶液的玻璃基底进行干燥,然后进行退火，使得玻璃基底上的混合溶液形成nafion基离子选择膜；

8、步骤4），冷却至室温后，将nafion基离子选择膜从玻璃基底上剥离，并放在去离子水中保存备用。

9、作为本发明一种nafion基离子选择膜的制备方法进一步的优化方案，所述氧化石墨烯悬浮液的质量分数为10%，nafion溶液的质量分数为5%，且氧化石墨烯悬浮液与nafion溶液以1:100的质量比混合。

10、本发明还公开了一种基于该nafion基离子选择膜的发电方法，包含以下步骤：

11、步骤1），将nafion基离子选择膜左右两侧分别注入海水和淡水，nafion基离子选择膜对阳离子有筛选性，允许钠离子自由通过，不允许氯离子通过；

12、步骤2），分别在nafion基离子选择膜两侧的海水、淡水中放置银-氯化银电极并通过导线对外连出接负载，通过海水、淡水、银-氯化银电极进行浓差发电，对外输出电流。

13、发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

14、1. 本发明中nafion基离子选择膜对溶液中阴阳离子具有高度选择性，允许阳离子自由通过，不允许阴离子通过；

15、2. 本发明中nafion基离子选择膜可以采用刮涂、旋涂、喷涂等制备工艺，实现规模化量产；

16、3. 本发明中nafion基离子选择膜相比于商业的nafion膜，对离子具有更好的筛选性能，可以产生更高的浓差电流。

技术特征：

1.一种nafion基离子选择膜，其特征在于，采用全氟磺酸基聚合物和无机纳米材料复合而成，所述无机纳米材料采用氧化石墨烯、羧基化的碳纳米管材料、羟基化的碳纳米管材料中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的nafion基离子选择膜的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

3.根据权利要求2所述的nafion基离子选择膜的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯悬浮液的质量分数为10%，nafion溶液的质量分数为5%，且氧化石墨烯悬浮液与nafion溶液以1:100的质量比混合。

4.基于权利要求1所述的nafion基离子选择膜的发电方法，其特征在于，包含以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种Nafion基离子选择膜及其制备方法和应用；Nafion基离子选择膜采用全氟磺酸基聚合物和无机纳米材料复合而成，能够通过阳离子的同时阻隔阴离子。发电时采用浓盐水、淡水、氯化银电极和离子选择膜，用离子选择膜分隔浓盐水和淡水时，通过氯化银电极可以持续对外输出电压和电流。相比于一般的离子选择膜，例如商业Nafion膜等，本发明中的Nafion基离子选择膜有更优异的输出表现，且在不同溶液中均有较高的性能。

技术研发人员：郭万林,方孙淼,郑春晓
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23