【上海水處理設(shè)備網(wǎng)www.appstoresolver.com】最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與資料科學(xué)學(xué)院徐銅文教授和吳亮教授研究團(tuán)隊(duì)在低利息高性能雙極膜開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面取得突破進(jìn)展，采用原位生長思路，通過調(diào)控苯胺分子在陰陽膜層界面處原位錨定、聚合生長并包裹FeOOH顆粒構(gòu)建穩(wěn)定水解離中間層制備高性能雙極膜。

研究效果于2021年1月4日以“Shieldgoethitcatalystthatenablfastwaterdissociinbipolarmembran為題在線發(fā)表于《自然通訊》Nat.Commun.

圖1.原位生長制備雙極膜示意圖(a雙極膜電滲析在線產(chǎn)酸堿工作原理圖(b

雙極膜是一種新型離子交換膜，由陰陽膜層和中間水解離層組成，利用其在反向偏壓下中間層水分子受極化產(chǎn)生OH-和H+特性，雙極膜可作為H+和OH-線發(fā)生源，HER/OER和CO2RR等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，曾列入2020年全國高考化學(xué)試題；同時(shí)在食品、化工清潔領(lǐng)域的清潔生產(chǎn)，石油石化、煤化工、煙氣吸收液等含鹽廢水資源化等也具有重要工業(yè)應(yīng)用，上海純水設(shè)備利用雙極膜不只能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)酸鹽直接轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸、食品工業(yè)的電酸/堿化，還能夠在不引入新組分的情況下將鹽水溶液直接轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的酸和堿而循環(huán)利用，因此雙極膜被認(rèn)為是零排放技術(shù)的關(guān)鍵資料。

雙極膜產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)在于兩個(gè)方面：

1陰陽膜層由于膨脹系數(shù)不同，使用過程中容易分層；

2目前多采用小分子或者過渡金屬離子作為中間層催化劑，使用過程中催化劑易泄露失效。

有鑒于此，國內(nèi)雙極膜產(chǎn)品處于批量試制階段，還沒有真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，而日本等發(fā)達(dá)國家一直對(duì)中國進(jìn)行技術(shù)封鎖和價(jià)格壟斷。

圖2.雙極膜及中間層斷面SEM圖（a,b與商業(yè)化產(chǎn)品和文獻(xiàn)報(bào)道雙極膜水解離啟動(dòng)電壓及在100mA cm-2電流密度下水解離工作電壓比較圖(c不同電流密度下雙極膜運(yùn)行穩(wěn)定性(d雙極膜產(chǎn)酸堿效率比較(e

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授和吳亮教授研究團(tuán)隊(duì)臨時(shí)致力于高性能雙極膜開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究。

針對(duì)第一個(gè)難題，研究團(tuán)隊(duì)早期在單一離子膜方面的研究積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了聚苯醚基材的陰陽膜層，解決了兩層資料膨脹系數(shù)不同的問題（ZL200410044997.7針對(duì)第二個(gè)難題，團(tuán)隊(duì)早期也進(jìn)行了大量的研究，先后制備出系列由親水性高分子、明膠、超支化高分子、凹凸棒土等固載過渡金屬離子的中間催化層結(jié)構(gòu)（ZL200510039013.0ZL200710025548.1

但這些嘗試用于規(guī)模制備時(shí)，雙極膜的水解離壓降偏高，催化層穩(wěn)定性不能滿足工業(yè)臨時(shí)應(yīng)用的需求。為進(jìn)一步提升雙極膜水解離效率和中間層穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)采用原位生長思路（如圖1CN201911255075.3,CN201911255856.2通過調(diào)控苯胺分子在陰陽膜層界面處原位錨定、聚集、聚合生長并包裹FeOOH顆粒構(gòu)建穩(wěn)定水解離中間層制備雙極膜，聚苯胺網(wǎng)絡(luò)提供膜層間強(qiáng)結(jié)合力并實(shí)現(xiàn)FeOOH顆粒的固定和均勻分散（圖2a,b

尺寸均一的FeOOH顆粒提供水解離活性位點(diǎn)，促進(jìn)水極化并在電場(chǎng)下快速釋放H+和OH-IV測(cè)試標(biāo)明，該雙極膜具有極低的水解離啟動(dòng)電壓（0.8V100mA cm-2電流密度下水解離電壓僅為1.1V日本商業(yè)膜Neosepta?BP-1這兩個(gè)指標(biāo)分別為1.1V和1.3V圖2c該膜還表示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，可在極限電流密度（300-600mA cm-2下穩(wěn)定運(yùn)行，而相應(yīng)進(jìn)口雙極膜Neosepta?BP-1300mA cm-2電流密度下水解離效率明顯降低并發(fā)生分層現(xiàn)象（圖2d

同時(shí)該膜表示出優(yōu)異的水解離產(chǎn)酸堿能力，100mA cm-2下產(chǎn)酸速率達(dá)到3.9±0.19Mm-2min-1產(chǎn)堿速率達(dá)到4.4±0.21Mm-2min-1高于進(jìn)口Neosepta?BP-1膜（H2SO42.6±0.13Mm-2min-1NaOH3.1±0.16Mm-2min-1如圖2e

圖3.a雙極膜中試生產(chǎn)線及膜產(chǎn)品(a雙極膜電滲析器(b

此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能雙極膜資料及流延+催化層噴涂一次性成型制備技術(shù)，已建成中試生產(chǎn)線（圖3a設(shè)計(jì)制作出相應(yīng)膜組件（圖3b規(guī)模化生產(chǎn)線正在建設(shè)中。

該工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（22038013,21875233,21720102003國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFB1502301中科院“一帶一路”平臺(tái)項(xiàng)目(No.21134ky5b20170010和安徽省科技重大專項(xiàng)(18030901079等資助。