《親水/疏水作用誘導高分子溶液相分離成膜機理研究》是依託清華大學，由王保國擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：親水/疏水作用誘導高分子溶液相分離成膜機理研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：王保國
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
面向新能源電池技術對納米尺度膜材料的國家重大需求，提出親水/疏水相互作用誘導高分子溶液相分離的科學原理，在分子水平上控制成膜過程動力學，製備孔徑在納米尺度的高穩定性膜材料。探索親水性單體的化學組成、分子結構、低聚物分子量對高分子溶液相分離過程影響規律，揭示製備過程參數對多孔膜微結構的調控原理，建立面向電池技術領域的質子傳導膜設計理論與方法。採用疏水性含氟高分子材料作為膜基體材料，使水溶性極性單體化合物在基體中發生聚合反應；通過選擇單體種類、控制低聚物分子量和溶劑揮發速率調控相分離過程；利用水中溶解作用除去低聚物，形成納米孔徑的膜。探索外加電場下的相分離過程，使用對外場具有回響的親水性單體，在垂直於膜面方向形成質子傳遞通道，製備孔結構高度取向的納米尺度多孔膜。研究成果為新能源電池技術發展所需的納米尺度膜材料開發提供基礎理論和技術支撐，對於發展新能源戰略產業具有重大現實價值和理論意義。
結題摘要
面向液流電池儲能技術對納米尺度膜材料的重大需求，突破現有相分離技術製備高分子多孔膜的孔徑範圍限制，提出了基於高分子結晶“成核-可控生長”的制膜原理。利用高分子結晶的“成核-可控生長”過程，調節所形成晶粒之間的“空間”減小到能夠進行離子篩分的尺度，該“空間”相互貫通構成具有納米尺度孔徑的“離子篩膜”。離子在膜內的傳質行為，不再受限於離子交換機制和靜電排斥的“唐南效應”，而是依靠水合離子大小不同，利用空間位阻產生“篩分”效應，形成離子擴散選擇性。該納米尺度孔徑的多孔膜僅僅由結晶性高分子構成，消除因離子交換基團降解引起膜性能劣化的隱患，具有良好的耐電化學腐蝕性能。通過FT-IR、SEM、TGA、EDS、BET和離子滲透實驗等系列分析方法，證實納米孔徑膜形成機制。以具有納米尺度孔徑的聚偏氟乙烯(PVDF)質子傳導膜為對象，研究釩電解質溶液中水合離子在受限空間內的傳遞行為，分別測定電解液濃度、靜壓強以及滲透壓差對離子擴散傳質行為的影響。水合離子在納米孔徑多孔膜的受限空間內傳質，其滲透行為與離子交換膜中明顯不同；前者的表觀離子擴散係數不受濃度差推動力的影響；相對而言，離子交換膜中的表觀離子擴散係數隨濃度差推動力提高而增大。在相同滲透壓條件下，自製膜中的的水遷移速率比Nation 117膜更低，在釩電池使用過程中，自製膜中水遷移帶來的負面影響低於Nafion117膜。自製納米孔徑多孔膜具有良好氫離子選擇滲透能力，對於H+／VO2+的離子選擇性係數超過300，能夠有效透過H+而阻止VO2+。在國際上首次完成聚偏氟乙烯（PVDF）全釩液流電池專用質子傳導膜製造工藝放大，成功製得面積800mm×1000mm的質子傳導膜，並成功用於功率5千瓦的全釩液流電池，能量轉換效率達到80%。制膜工藝簡單、條件溫和、易於規模化生產。本項目成果為液流電池裝備開發所需的膜材料提供基礎理論和技術支撐，對於促進新能源產業發展具有重大理論意義和現實價值。
