一种含有MoS2中间催化层的双极膜及其制备方法

本发明涉及双极膜制备，具体地说，涉及一种含有mos2中间催化层的双极膜及其制备方法。

背景技术：

1、双极膜是一种新型的离子交换复合膜，在近几十年内该领域迅猛发展。它通常由阳离子交换层、中间界面亲水层(催化层)和阴离子交换层复合而成，是真正意义上的反应膜。目前主要将双极膜应用于电渗析过程中，基于双极膜的电渗析具有简单、高效、节能、清洁等优点。由于双极膜由两个不同的层组成，它们对电荷相反的离子具有选择性，利用双极膜的水解离特性，在不引入新的组分下，将盐溶液转化为酸和碱。通过优化阴、阳离子交换层的结构及组成、中间层催化剂、双极膜的制备方法，能够提升双极膜的电化学性能及稳定性。

2、纳米级催化剂具有表面与界面效应，颗粒暴露的原子比例高，导致活性位点多，反应物可以有更多参与反应的机会；纳米级催化剂的表面配位数低，有较高的表面能，有利于催化反应物的吸附、活化进而发生反应的；且还具有量子尺寸效应，纳米级催化剂尺寸到达纳米量级，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分裂能级，会对很多反应有非常优异的催化性能。单层mos2由两个硫化物原子层和一个夹层mo原子层组成，mos2厚层的间接带隙在单层mos2中变为1.8ev的直接带隙。许多研究表明，纳米级mos2的电催化her性能主要来自其边缘状态，mo边缘最有利于所有物质的吸附。

3、本发明通过在双极膜中引入含有mos2中间催化层用于提高水解离反应性能，降低双极膜电解槽的过电位。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种含有mos2中间催化层的双极膜及其制备方法，本发明提供的含有mos2中间催化层的双极膜可以克服现有双极膜催化层与电极基材结合力较差的缺陷，并显著降低水解离电压，提高水解离效率。

2、为实现上述发明目的，本发明是采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种含有mos2中间催化层的双极膜，包括阳离子交换层、阴离子交换层以及位于阳离子交换层和阴离子交换层之间的mos2中间催化层，所述mos2中间催化层包括mos2催化剂；

4、所述的mos2中间催化层通过如下方法制备：

5、(1)将大颗粒mos2、pvdf(聚偏氟乙烯)粉末、炭黑和dmac(n,n-二甲基乙酰胺)以一定比例混合均匀得到混合物，并将该混合物涂覆在铜片上，干燥后作为阴极，石墨棒作为阳极，构建一个双电极电化学电池，四庚基溴化铵溶解于乙腈中所得溶液作为电解质溶液，在电池上施加电压进行电化学反应，反应过程中阴极会发生膨胀，将tha+离子插入mos2中，电化学反应结束后，将阴极中铜片与其表面物质分离，然后将所得表面物质分散在含有pvp(聚乙烯吡咯烷酮)的dmf(n,n-二甲基甲酰胺)溶液中，所得分散液进行离心、洗涤得到mos2催化剂，将mos2催化剂再重新分散在溶剂中获得mos2催化剂分散体，该mos2催化剂分散体涂覆在阳离子交换层上，干燥后即得到mos2中间催化层。

6、作为优选，所述大颗粒mos2、pvdf(聚偏氟乙烯)粉末、炭黑的质量比为6:2:2-8:1:1。

7、作为优选，所述mos2中间催化层中，mos2催化剂的负载量为0.001-0.5mg/cm2，更优选0.02-0.1mg/cm2。

8、作为优选，所述阳离子交换层的材料为磺化聚醚砜。所述的磺化聚醚砜可通过现有文献报道的方法进行制备，本发明具体推荐一种磺化聚醚砜的制备方法，包括如下步骤：在反应容器中加入聚醚砜和浓硫酸，室温下搅拌10-20小时完成磺化反应，将得到的反应液倒入冰水中，过滤、水洗至中性、干燥后得到磺化聚醚砜。

9、作为优选，步骤(b)中，所述聚醚砜和浓硫酸的投料比为1g：5-20ml。

10、作为优选，所述阴离子交换层的材料为季胺化聚苯醚。

11、作为优选，步骤(1)中，所述电解质溶液中四庚基溴化铵浓度为5-8mg/ml。

12、作为优选，步骤(1)中，在电池上施加电压为6-8v，反应时间为1-2h。

13、作为优选，步骤(1)中，含有pvp的dmf溶液中pvp的浓度为20-25mg/ml。

14、作为优选，步骤(1)中，所述mos2催化剂分散体的浓度为0.1-0.2g/ml。

15、作为优选，步骤(1)中，将mos2催化剂再重新分散在异丙醇中获得mos2催化剂分散体。

16、第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的含有mos2中间催化层的双极膜的制备方法，包括如下步骤：

17、(1)将大颗粒mos2、pvdf(聚偏氟乙烯)粉末、炭黑和dmac(n,n-二甲基乙酰胺)混合均匀得到混合物，并将该混合物涂覆在铜片上，干燥后作为阴极，石墨棒作为阳极，构建一个双电极电化学电池，四庚基溴化铵溶解于乙腈中作为电解质溶液，在电池上施加电压进行电化学反应，反应过程中阴极会发生膨胀，将tha+离子插入mos2中，电化学反应结束后，将阴极中铜片与其表面物质剥离，然后将该表面物质分散在含有pvp(聚乙烯吡咯烷酮)的dmf(n,n-二甲基甲酰胺)溶液中，所得分散液进行离心、洗涤得到mos2催化剂，将mos2催化剂再重新分散在溶剂中获得mos2催化剂分散体；

18、(2)在基板上预先浇筑阳离子交换层，将浇筑有阳离子交换层的基板固定在加热板上，在30-80℃下，将mos2催化剂分散体喷涂在阳离子交换层表面上，待表面干燥后，在30-80℃下，通过流延将阴离子交换层溶液流延在中间催化层上，待表面干燥后，即得含有mos2中间催化层的双极膜。

19、所述的步骤(1)同第一方面，在此不再赘述。

20、作为优选，步骤(2)中，使阳离子交换层厚度为100-150μm，阴离子交换层厚度为30-60μm。

21、作为优选，步骤(2)中，所述阳离子交换层的制备方法包括：将磺化聚醚砜研磨成粉，溶解在溶剂中，过滤得2-5wt％的均质溶液，然后将均质溶液倒在干净的玻璃板上，60-100℃真空干燥24-48h，得阳离子交换层，所述溶剂为二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、甲醇的一种或两种以上的混合。

22、作为优选，步骤(2)中，所述阴离子交换层溶液的制备方法包括：将季胺化聚苯醚配制成2-5wt％的阴离子交换膜溶液，所述阴离子交换层溶剂为二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、甲醇的一种或两种以上混合。

23、作为优选，步骤(2)中，所述喷涂过程中，控制阳离子交换层表面mos2催化剂的负载量为0.001-0.5mg/cm2，更优选0.02-0.1mg/cm2。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

25、(1)本发明以mos2催化剂为中间层，通过分子插层电化学剥离法可以提高mos2的分散性，暴露mo的活性催化位点，最终得到具有超高催化性能的催化层，促进水的解离。包含该mos2中间催化层的双极膜能显著降低水解离电压，提高水解离效率。

26、(2)本发明提供了上述含有mos2中间催化层的双极膜的制备方法，此法操作简单便捷，原料来源常规，易于实现工业化批量生产。