关键词:
聚乙烯亚胺
聚苯乙烯磺酸钠
ZIF-8
二次成核
阳离子交换膜
单价选择性
摘要:
单价阳离子交换膜(MCEM)提取有价值的目标离子在现代能源和环境领域受到越来越多的关注。然而,在膜表面构建厚度可控、致密且无缺陷的ZIF-8层仍是一项挑战。本文设计基膜-改性层-MOF层的“三明治”结构,在商品离子交换膜表面构建致密无缺陷的MOF膜,以提高阳离子的单价选择性。此外,通过电化学测试(I-V和EIS)、DFT模拟和HCPD机理,“从外到内”分析了改性膜的边界层(双电层和扩散边界层)和内部结构(ZIF-8)的选择性机理;同时ZIF-8组成的坚固稳定的复合膜可作为高性能渗透发电装置,实现“有电分离-无电产能”。本文的研究结果为构建单价选择性的MOF膜提供了一种新思路。
基于“原位播种-二次生长”的思路,通过TA、PEI交联作为中间层,在TA/PEI薄膜上合成ZIF-8选择性层。为了避免晶种在生长液中脱落,在ZIF-8晶体中引入更多的-NH2基团,降低ZIF-8晶体的成核率。对改性膜边界层进行分析,提出双电层Mg2+的形成有利于单价离子的选择;并对MCEMs在二元体系中的阳离子单价选择性进行了系统研究,改性CEM对Na+/Mg2+的选择性高达52.22,是原始CEM的60.97倍,充分发挥了其在资源回收领域的巨大潜力。此外,还对MCEM的传输机制进行了DFT和高斯模拟,证明了PEI修饰的ZIF-8空腔结构有利于单价离子通过。
基于双“播种-反扩散-生长”的思路,分别通过原位播种PANI和ZIF-8层和反扩散再生长,实现双选择层的“三明治”结构。为了提高ZIF-8层的亲水性和稳定性,在ZIF-8晶体中引入更多的-SO3H基团,降低ZIF-8晶体的成核率。首先,通过对改性膜的双电层和扩散边界层进行分析,阐明了双电层厚度和ZIF-8纳米通道重叠有利于单价离子的选择性;并对MCEMs在三元体系中的阳离子单价选择性进行了系统研究,改性CEM对Na+/Mg2+和Li+/Mg2+的选择性分别高达47.74和128.03。此外,通过限域级联分离概念对MCEM的传输机制进行分析,通过DFT和高斯模拟,证明了PSS修饰的ZIF-8空腔结构有利于单价离子通过。