全钒液流储能电池Nafion®/沸石复合膜的制备与性能研究

摘要

全钒液流电池（VRBs）是一种电化学能量储存装置，因其在电网调峰以及偏远地区的电能输送等方面的广泛应用而被大家所熟知。其具有使用寿命长，环境污染小，输出效率高，结构简单，操作方便易于维护，并可独立充放电等优点，这使它在新能源领域成为目前最具发展潜质的一个方向。质子交换膜作为全钒液流电池系统中的一个核心组成部分受到广泛关注。目前在VRB中应用最为广泛的质子交换膜是 Nafion(R)系列膜，其具备较高的电导率和较强的化学稳定性。但是Nafion(R)存在一些不容忽视的缺陷，如较高的钒离子渗透率和较低的离子选择性。因此对Nafion(R)膜进行简单的改性提升其阻钒性能，并探究其改性机理对VRB的商业化应用具有重要的意义。
　　本课题采用有机无机复合法对Nafion(R)膜进行改性制备，首先利用水热合成法制备两种具备MFI骨架结构的沸石，分别为纯硅Silicalite-1沸石（100～120 nm）和含铝ZSM-5沸石（350～400 nm）。对不同实验条件下制备的两种沸石进行XRD，SEM，EDS，FT-IR，STA等表征分析，目的是对沸石样品的形貌及晶粒尺寸进行研究。之后将制备的两种沸石作为无机粒子添加到Nafion(R)膜溶液中，利用溶液重铸法制备出复合质子交换膜，实现对Nafion(R)膜的性能改进。对制备的复合膜进行XRD，SEM，FT-IR，STA等表征分析，目的是对复合膜的形貌、内部键结构及复合膜的热稳定性能进行研究，观察改性方案是否合理，并对复合膜的吸水性能、离子交换容量、钒离子渗透率及质子导电率等性能进行测试，找到Nafion(R)的最优改性机制。
　　本课题制备了不同掺杂含量（2.5 wt％，5.0 wt%，7.5 wt%和10.0 wt%）的复合膜，并通过各表征手段分析其掺杂规律，通过数据对比得出，两种沸石改性的Nafion(R)膜中，掺杂量为5.0 wt%的膜综合性能最好，其中Silicalite-1/Nafion(R)复合膜的钒离子渗透率降低至 Nafion(R)空白膜的一半左右，膜的选择性也提高至2.59倍左右。ZSM-5/Nafion(R)复合膜的钒离子渗透率和膜离子选择性较之 Nafion(R)空白膜也都有明显的改善。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 全钒液流电池的介绍

1.3 质子交换膜

1.4 Nafion?膜的介绍

1.5 MFI沸石的介绍

1.6 本课题的研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验原料

2.2 实验仪器及表征测试装置

2.3 沸石的制备

2.4 MFI沸石/Nafion?复合膜的制备

第3章 沸石的表征结果分析

3.1 纯硅沸石（Silicalite-1）的表征分析

3.2含铝MFI（ZSM-5）沸石的表征结果分析

3.3 本章小结

第4章 复合质子交换膜的结果与分析

4.1 复合质子交换膜的SEM分析

4.2 复合质子交换膜的FT-IR分析

4.3 复合质子交换膜的性能测试

4.4 本章小结

结论

1 结论

2 后续要完成的工作

参考文献

声明

致谢