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【上海水處理設備網(wǎng)straitstimes.cn】最近，中國科學技術大學化學與資料科學學院徐銅文教授和吳亮教授研究團隊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等領域有廣泛應用，曾列入2020年全國高考化學試題；同時在食品、化工清潔領域的清潔生產(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)應用，上海純水設備利用雙極膜不只能夠?qū)崿F(xiàn)有機酸鹽直接轉(zhuǎn)化為有機酸、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)化為對應的酸和堿而循環(huán)利用，因此雙極膜被認為是零排放技術的關鍵資料。

雙極膜產(chǎn)業(yè)化的難點在于兩個方面：

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，還沒有真正實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應用，而日本等發(fā)達國家一直對中國進行技術封鎖和價格壟斷。

圖2.雙極膜及中間層斷面SEM圖（a,b與商業(yè)化產(chǎn)品和文獻報道雙極膜水解離啟動電壓及在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行穩(wěn)定性(d雙極膜產(chǎn)酸堿效率比較(e

中國科學技術大學徐銅文教授和吳亮教授研究團隊臨時致力于高性能雙極膜開發(fā)及應用技術研究。

針對第一個難題，研究團隊早期在單一離子膜方面的研究積累了大量的經(jīng)驗，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針對第二個難題，團隊早期也進行了大量的研究，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，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)臨時應用的需求。為進一步提升雙極膜水解離效率和中間層穩(wěn)定性，研究團隊采用原位生長思路（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)絡提供膜層間強結(jié)合力并實現(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，促進水極化并在電場下快速釋放H+和OH-IV測試標明，該雙極膜具有極低的水解離啟動電壓（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這兩個指標分別為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)定運行，而相應進口雙極膜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)酸速率達到3.9±0.19Mm-2min-1產(chǎn)堿速率達到4.4±0.21Mm-2min-1高于進口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

此基礎上，研究團隊開發(fā)出具有自主知識產(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，已建成中試生產(chǎn)線（圖3a設計制作出相應膜組件（圖3b規(guī)模化生產(chǎn)線正在建設中。

該工作得到國家自然科學基金項目（22038013,21875233,21720102003國家重點研發(fā)計劃(2018YFB1502301中科院“一帶一路”平臺項目(No.21134ky5b20170010和安徽省科技重大專項(18030901079等資助。