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高选择性APSF/rNafion复合膜在全钒液流电池中的应用

更新时间:2009-03-28

为了缓解能源危机和环境污染带来的压力,新能源的发展成为人们关注的焦点,针对风能、太阳能、潮汐能等可再生资源的研究和开发变得越来越重要。然而风、太阳等受自然条件和地理气候的制约,因此需要一个大型的储能系统将新能源转化为稳定的输出能量以满足人类的需求[1]。全钒液流电池是一个大规模的储能系统,与其他电池相比,具有安全、设计灵活、寿命长等优点。目前,全钒液流电池已经被应用于电网调峰、备用电源、清洁能源的配套储能装置等[2]

全钒液流电池关键材料主要是电极、隔膜、电解质,由于氧化还原电对在电解液中进行反应,因此对于全钒液流电池而言,隔膜就显得尤为重要。隔膜具有离子导电性高、钒离子渗透率低、机械性能强等[3]特点。目前虽然为了增加膜的钒离子选择性,人们开始注重于非氟膜的研发[4-5]。但由于非氟膜的制备原料应用常常要经过磺化和季铵化处理,使得其结构遭到破坏,而电解液具有强的氧化性,这将大大缩短电池的寿命[6]。尽管多孔膜对离子的传导不需要依靠离子交换基团,但它的制备过程所受的影响因素较多,例如制膜液的浓度、凝固浴的组成、温度、湿度、致孔剂的量等,这些因素使得制备孔径均匀和工艺可重复的膜面临很大的挑战,此外通过相转化来制备多孔膜还会降低膜的机械性[7],离子选择性与离子导电性的不平衡也成为阻碍多孔膜应用的另一重要因素。商业化全氟磺酸离子交换膜基于磺酸基团的团聚作用使得质子的传输能力得到很大的提高,成为钒电池领域应用的最为广泛的隔膜。然而高成本和钒离子低选择性成为了亟须解决的难题。目前人们采用很多修饰方法对其进行改性,并取得了良好的结果。例如 SiO2填充[7]、聚电解质溶液的层层自组装[9]、石墨烯或聚偏氟乙烯与Nafion交混[10-11]等。

交混是最常用而且有效的改性方法,它是通过将两种聚合物的溶液混合从而制备成具有两种膜优点的复合膜。氨化聚砜因为-NH2官能团的存在从而表现出较好的亲水性,同时苯环的刚性骨架赋予APSF好的机械稳定性。本文首次采用将氨化的聚砜与 Nafion的溶液混和,通过常用的溶液流涎的方法制得重铸的APSF/rNafion复合膜,并对复合膜的形貌、力学性能和电化学性能进行表征,结果表明加入APSF后制备的复合膜的性能得到显著提高,并且合理利用废弃的Nafion膜,有效降低隔膜生产成本。

1 实验

1.1 试剂与原料

APSF树脂(南京工业大学能源材料实验室);废弃Nafion(湖南省银峰新能源有限公司);三水合硫酸氧钒(VOSO4·3.8H2O)、98%浓硫酸、双氧水(H2O2)、无水硫酸镁(MgSO4)、N-甲基吡咯烷酮(NMP),分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

电子扫描显微镜(SEM,JSM-6701F),红外光谱仪(BRUKER ALPHA),拉力测试机(UTM4304)。

[2] Dunn B, Kamath H, Tarascon J M. Electrical energy storage for the grid: A battery of choices[J]. Science, 2011, 334(6058):928-935.

1.2 废弃Nafion膜的预处理

将一定量废弃的Nafion膜用剪刀剪碎,置入500 mL的烧杯中,加入3%的H2O2使其没过废膜,然后不断搅拌,加热至 80℃,当废膜变为白色时,停止加热,用去离子水对膜进行清洗,加热至 80℃,保持1 h,然后用1 M的硫酸对废膜进行酸化,处理过程与上述一致。然后先将废膜在鼓风干燥箱中60℃干燥12 h,再将其移至真空干燥箱中80℃保持12 h。

“恰好这时,他给我发了私信,我看了他的照片,胖胖的,觉得比较有亲和力。”张伦靠外形攻下一垒。再看专业,“我学动画,他也学动画。”专业再加分。从私信到微信,从陌生到熟悉,一切似乎顺理成章。

1.3 膜的制备

将一定量的APSF和处理过的Nafion废膜分别溶于NMP溶剂中制备成10%的铸膜液,然后按一定的比例将铸膜液超声混合30 min,在80℃的烘箱中静止3 h,将混合液加入模具中,60℃干燥6 h使溶剂挥发完全,然后将其放入真空烘箱中120℃干燥8 h,冷却至室温后在模具中加入适量的温水,一段时间后将膜取出浸入到3 M的H2SO4中。同时按照上述步骤制备未加APSF的Nafion膜。

1.4 表征

其中,R2为装置装膜时的电阻,R1为装置未装膜时的电阻,S为膜的有效面积。膜在测试前浸入1 M的硫酸中24 h,此外,R2、R1都做三组平衡实验求得平均值。

综上所述,针对偏瘫性肩关节周围炎,主治医师可以应用肩痛穴平衡针灸治疗方式,并且此针灸方式具有操作简单和容易掌握的特点,并且针灸穴位相对较少,降低了针灸意外事故的发生概率[10-12]。相比较而言,传统的针灸方式需要选择的穴位较多,在缓解患者疼痛感的同时,有极大的概率引发新的疼痛。最关键的是,肩痛穴平衡针灸治疗方式具有明显的治疗效果,能够缓解患者的疼痛感,再加上具有应用安全性高等特点,适合被广泛应用在临床医学中,是一种行之有效的针灸治疗方式。

电子扫描显微镜(SEM,JSM-6701F)观察膜和复合膜表面。红外光谱用BRUKER ALPHA红外光谱仪测定。力学性能用UTM4304拉力测试机测定。

1.4.2 膜的吸水率和膨胀率

将膜用剪刀剪成一定尺寸大小的长方形,然后将其浸入到去离子水中24 h,使膜吸水饱和,用滤纸快速将膜表面的水吸干称取重量记为M1,同时量取长度L1。然后将膜在70℃的真空干燥箱中干燥12 h,称取重量记为M2,量取长度为L2。膜的吸水和膨胀率可用下面的公式进行计算[11-12]

 

1.4.3 面电阻测试

长期以来,我国杂交水稻种子生产以传统方式为主,机械化程度低,耗费巨大的人力、物力,成本高。湖南农业大学唐文帮教授及其研发团队经过10余年研究,实现了杂交水稻轻简机械化制种,在降低杂交稻种子生产成本、促进产业化等方面取得了重大突破。

 

1.4.1 形貌结构及力学性能

  

图1 膜电阻测试示意图

在80 mA/cm2的电流密度下,对用复合膜组装的电池进行充放电测试,电压范围0.8~1.6 V,根据容量和和效率来判断电池稳定性。

进入11月下旬,上周又充满博弈,主产区报价跌幅在10-30元/吨,内销方面仍无进展,农业推迟采购,工业按需适量采购,磷复肥会议带来的需求点也在尿素跌势行情中未见动作。印标不及预期结果,令市场重新定位出口利好,集港新单价下调。业内继续关注行业开工率及尿素出口后续跟进,市场本身下滑趋势将继续。

(3)对成本控制方案做到责任制。将成本控制过程中的各个项目分配到各个负责人手中,做到成本控制的责任制,这样可以使路桥项目工程在完成过程中对工程项目进行更好的把关。如果项目工程完成得不好,也能直观地反映出来。如果项目完成不好,企业负责人可以找到项目负责人头上。这样可以使项目负责人更加注重工程的质量和完成程度。

本文通过APSF与Nafion膜交混流涎的方法制备了APSF/rNafion复合膜,SEM验证了APSF与Nafion具有好的兼容性,通过对膜的膨胀率和机械性能的表征,得知APSF的加入增加了Nafion膜的机械稳定性,有效的抑制它的膨胀性。此外改性后的复合膜表现出了突出的钒离子选择性,在不同的电流密度的测试下,复合膜的充放电效率优于空白重铸的Nafion膜,虽然厚度低于商业Nafion115,但在40 mA/cm2的电流密度下,表现出了比商业Nafion115更优秀的电化学性能。此外,这种修饰方法简单有效而且使得废弃的Nafion得到重复利用,更在一定程度降低了Nafion膜的成本。

第一,要树立绿色生态文明城市观念,让每一位公民自觉投入到生态文明建设中。绿色生态城市文明观念在公民心中一直是一个很模糊的概念,在城市文明建设的过程中,要多组织一些有关城市生态文明、城市森林文化工程、城市生态文化工程建设等活动,让广大居民能够从城市林业建设中,体会到人与自然和谐相处的意义,树立居民的生态文明观、道德观,发展绿色文化,让大家养成尊重自然,爱护环境的好习惯,在提高自身参与度的同时,增强责任感[3]。

计算钒离子渗透率P的方法,利用式(4)进行计算。

 

1.4.5 电池的充放电性能

气象观测系统由气象铁塔风温梯度测量系统、地面气象诸要素自动观测系统、监控系统平台3个部分构成。该气象观测系统采用先进的观测设备对大气状况不间断、系统地观测和数据收集,并把所得数据存储和处理,提高观测准确性,对天气状况作出预警预报,为现代化农业生产提供及时准确的气象信息服务,帮助农业管理部门应对各种气象灾害,避免或降低气象灾害损失,为现代化农业发展撑起一把保护伞[3]。

全钒氧化还原液流电池主要有隔膜、电解液、电极和集流体组成,其中电极由电极框固定,隔膜被夹在中间,其有效面积为4 cm2,其他部件成对称分布,15 mL的VO2+/VO2+和3 M硫酸为正极电解液,同时15 mL的1.5 M V2+/ V3+和3 M的硫酸为负极电解液,电解液以20 mL/min流速流经电极。通过LAND CT2001A对电池进行充放电测试。为了避免电极和集流体的腐蚀,最高充电电压为1.6 V,最低放电电压为0.8 V。

1.4.6 电池的循环稳定性

1.4.4 钒离子渗透率

膜面电阻测试装置主要有两个半电解槽、隔膜和一对铂电极组成。两个半电解槽有隔膜隔开,并装有等体积的1 M的硫酸,膜的有效面积为1 cm2。电阻的大小由电化学工作站的交流阻抗记录,频率为1 Hz-105 Hz[13],面电阻的大小通过下面的公式进行估算:

2 结果与讨论

为了探究膜的表面结构,采用扫描电子显微镜(SEM)对膜的表面进行观察,由图2可知,经过对比发现商业用的Nafion膜具有光滑表面,复合膜的表面出现了均匀分散了许多的白色颗粒和一些纹路,没有发现相分离现象,这说明APSF均匀分散于Nafion膜,二者有很好的兼容性。

  

图2 膜的表面形貌

由表1可知,与重铸的重铸Nafion膜相比,APSF的添加减小了复合膜吸水率和膨胀率,这可能是因为APSF的氨基与磺酸基的作用,分散了磺酸基团,抑制膜对水的吸收,苯环的刚性结构提高Nafion膜的机械性能,降低了重铸Nafion膜的膨胀,即使与厚度较大的商业Nafion115膜相比,复合膜膨胀率也有所减小。这说明APSF的加入使膜的稳定性得到显著提高。

 

表1 不同膜的物理化学参数

  

膜 厚度/ μm 吸水率/ % 膨胀率/ %rNafion 80 18.4 12.3 APSF/rNafion 80 16.3 6.5 Nafion115 125 19.47 7.4

膜的机械强度是影响电池寿命的一个重要因素,采用拉力试验对膜的的强度进行测试,通过应力应变曲线可以表现出膜的机械性能的优劣[10]。由图 3a可知,与空白的 rNafion膜相比当发生相同的应变时,Nafion/SPSF复合膜所需的外力要大于Nafion膜,说明APSF的加入有效的提高Nafion膜的机械性能。这主要归因于苯环的钢性结构增加了Nafion膜的力学性能和Nafion与APSF有很好的相容性。

  

图3 rNafion and APSF/rNafion 的应力-应变曲线(a)、红外分析(b)

为了表征聚合物分子间的相互作用,通过FT-IR对聚合物分子的主要官能团进行了表征。由图3b可以看出,与rNafion膜相比,在1065 cm-1处都出现了磺酸基的对称伸缩振动的吸收峰,但在861.5 cm-1为N-H的面外弯曲振动吸收峰,同时N-H在1560~1640 cm-1间的变形振动被苯环骨架上的C=C的振动所遮掩,而APSF的氨基上的氮原子会与磺酸基之间在水溶液中会形成强的氢键作用力,这将有助于分散Nafion膜中的磺酸基团构成的离子簇,减小离子簇的半径提高离子的选择性。

综上所述,规范疼痛管理应用于在肿瘤晚期疼痛患者的治疗中,能够有效减轻患者的焦虑与疼痛,提高患者生存质量和满意度。

为了探究膜的质子转移能力,通过交流阻抗法对膜的面电阻进行测试,膜电阻的大小能够反映膜传导氢离子的能力的强弱,决定着电池内电路电阻的大小,是评价钒电池性能的优劣重要指标[14]。图 4a为用不同方式组装的扩散装置的电阻分布,M0为未装膜时,扩散装置的电阻。图4b可以看出,重铸之后膜的电阻有所减小,主要由于重铸膜的厚度小于商业的Nafion膜,减小膜对氢离子传导的阻力,而在加入SPAF之后膜的电阻变大,这可能是苯环上的氨基与磺酸基结合抑制了磺酸基团团簇的形成,从而导致膜对氢离子传导能力下降。

  

图4 用不同膜组装的扩散装置的EIS分布曲线(a)、膜的面电阻(b)

对于全钒氧化还原液流电池而言,钒离子的渗透将会导致电池的容量衰减和发生自放电,对电池的性能产生很大的影响。由于在全钒氧化还原液流电池中,不同钒离子的扩散速率为V2+>VO2+>VO2+>V3+,同时V2+在空气中很容易被氧化,因此VO2+常常用来评估膜的离子选择性,好的钒离子选择性将会减弱由于正负极钒离子的交叉污染引起的自放电和容量的衰减,抑制水迁移,提高电池的库伦效率[16]。由图 5a可知,加入APSF之后直线的斜率逐渐减小这表明膜的钒离子选择性显著增加,这可能是苯环上的氨基与磺酸基之间形成氢键,减小磺酸基的团簇半径,很大程度上阻碍了钒离子的渗透。此外,复合膜也因苯环的刚性结构进而在一定程度上也减弱了Nafion膜的膨胀性。

 
  

图5 用不同膜组装的扩散装置MgSO4溶液侧的钒离子浓度(a)与时间的关系(b)~(d)在40~100 mA/cm2电流密度下用不同膜组装的VFB电池的倍率性能

电池的倍率性能是衡量一个电池好坏重要的参数,图 5b~5d为用不同隔膜组装的电池在 40~100 mA/cm2的充放电性能。由图5b可以看出,电池的库伦效率(coulombic efficiency, CE)随着电流密度的增加而逐渐增加,这主要是因为随着电流密度的增加完成每次充放电所需时间变短,电池的自放电变弱。电压效率(voltage efficiency, VE)主要由电池的电阻决定,如图5c所示,随着电流密度增大由于欧姆极化效应会越来越显著,因此导致电压效率逐渐减小。能量效率(energy efficiency, EE)是库伦效率和电压效率的乘积,由图5d可知,APSF/rNafion具有与商业化的Nafion相当的能量效率,并且在40 mA/cm2的电流密度下APSF/rNafion复合膜表现出了很好的充放电性能(CE=96.8%,EE=85.78%),其能量效率与商业的NAfion115(CE=94.4%,EE=85.2%)相当,但是其库伦效率高于商业 Nafion115,这说明在小电流密度下,APSF/rNafion复合膜表现出了更好的抑制电池正负极之间钒离子交叉混合,这一结果与复合膜比商业膜具有更好钒离子选择性的结论是一致的。

为了解决高速插秧机因地势起伏造成的秧苗横向插深不一致的问题,开发设计了基于插植部倾角检测的秧苗插深自适应调节系统,并在插秧机虚拟仿真实验平台上开展了实验分析,结论如下:

  

图6 用APSF/rNafion膜组装的VFB电池在80 mA/cm2电流密度下的电化学性能(a)容量的保持性能(b)循环性能

由于膜在工作状态下,将会被浸入具有强酸和强氧化性的电解液环境中,膜抗氧化能力的强弱将会决定着电池寿命的长短[17]。图6a为80 mA/cm2的密度下首次放电容量为460 mAh,在100圈后维持容量在392 mAh,容量保持率为85.2%,表现了很好的容量保持性能。从图6b中可以看出,在80 mA/cm2的密度下电池在进行 100圈的循环测试过程中,效率并没有明显的衰减,保持很好的稳定性。综上所述,APSF/Nafion复合膜具有优秀的化学稳定性。此外,该修饰方法成本低,操作简单,有希望被广泛应用于液流电池中。

3 结论

钒离子渗透率的测试装置与面电阻的测试装置大致相同,两半电解槽由隔膜隔开,在左侧电解槽装有15 mL的1.5 M VOSO4 / 3 M H2SO4溶液,为了减小右侧因为浓度差引起渗透压的变化,右半侧装有1.5 M MgSO4 / 3 M H2SO4溶液。两端电解槽不断地用转子搅拌以免出现浓差极化。然后隔一定的时间从右侧电解槽中3 mL的溶液,同时注入等体积的1.5 M MgSO4 / 3 M H2SO4溶液。通过紫外分光光度计测定取出的溶液中VO2+浓度[14]

参考文献:

1.针对采购预算的不合法性,在采购预算过程中,高校存在随意追加或削减预算的现象,要强化检察高校在政府采购时预算的合法性。高校预算部门的组成之一就是政府采购预算部门,主管部门在进行部门预算批准时,涵盖了部门的政府采购预算。所以,高校有必要申报政府采购的预算流程、批准、并且对临时预算程序的增设进行严格审查。重点审查在预算过程中,重点审查是否存在任何额外或预算削减,以及补充或减少过程是否按照所需的批准程序处理。

[1] Ding C, Zhang H, Li X, et al. Vanadium flow battery for energy storage: Prospects and challenges[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2013, 4(8): 1281-1294.

资金在被使用的阶段安全性主要体现在以几方面,首先是在运用阶段,很多银行会出现对账单虚报、经济被其他事情占用和自我侵占,经济收入和支出有时会出现一定差距,无法快速寻回,使得经济会出现一定损失。如果不及时对此类情况和经济问题采取措施应对,容易造成账务损坏现象。第二方面是在经济集资和筹备过程中出现一定损失,筹备形式和方法不到位,不能及时对到期的经济和贷款等项目进行有效偿还,财务中出现的很多问题,对企业未来发展具有消极影响。

[3] Wang W, Luo Q, Li B, et al. Recent progress in redox flow battery research and development[J]. Advanced Functional Materials, 2013, 23(8): 970-986.

[4] Parasuraman A, Lim T M, Menictas C, et al. Review of material research and development for vanadium redox flow battery applications[J]. Electrochimica Acta, 2013, 101: 27-40.

[5] Fu Z, Liu J, Liu Q. SPEEK/PVDF/PES composite as alternative proton exchange membrane for vanadium redox flow batteries[J]. Journal of Electronic Materials, 2016, 45(1): 666.

[6] Xi J, Li Z, Yu L, et al. Effect of degree of sulfonation and casting solvent on sulfonated poly(ether ether ketone) membrane for vanadium redox flow battery[J]. Journal of Power Sources, 2015, 285: 195-204.

[7] Xu W, Zhao Y, Yuan Z, et al. Highly stable anion exchange membranes with internal cross-linking networks[J]. Advanced Functional Materials, 2015, 25(17): 2583-2589.

[8] Yuan Z, Li X, Hu J, et al. Degradation mechanism of sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) ion exchange membranes under vanadium flow battery medium[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16(37): 19841-19847.

[9] Yuan Z, Dai Q, Zhao Y, et al. Polypyrrole modified porous poly(ether sulfone) membranes with high performance for vanadium flow batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4(33): 12955-12962.

[10] Xi J, Wu Z, Qiu X, et al. Nafion/SiO2 hybrid membrane for vanadium redox flow battery[J]. Journal of Power Sources, 2007,166(2): 531-536.

使用胺碘酮(生产厂家:法国Sanofi-Aventis France;国药准字:H20120496)进行静脉注射,首次注射剂量为150 mg,注射方法为10 min内静脉推注完成。在注射过程中,对患者的临床症状进行观察,若患者出现窦性心律,则应停止注射,改为口服药物进行治疗。若患者在注射后无明显效果,在时长约15 min的观察之后,追加注射150 mg,同时还需确保24 h内的总剂量为600~900 mg[2]。

[11] Xi J, Wu Z, Qiu X, et al. Layer-by-layer self-assembly of Nafion-[CS-PWA] composite membranes with suppressed vanadium ion crossover for vanadium redox flow battery applications[J]. RSC Advances, 2014, 4(47): 24831-24837.

[12] Yu L, Lin F, Xu L, et al. A recast Nafion/graphene oxide composite membrane for advanced vanadium redox flow batteries[J].RSC Advances, 2016, 6(5): 3756-3763.

[13] Mai Z, Zhang H, Li X, et al. Nafion/polyvinylidene fluoride blend membranes with improved ion selectivity for vanadium redox flow battery application[J]. Journal of Power Sources, 2011, 196(13): 5737-5741.

[14] Zhou Y, Yu L, Wang J, et al. Rational use and reuse of Nafion 212 membrane in vanadium flow batteries[J]. RSC Advances,2017, 7(32): 19425-19433.

[15] Yuan Z, Dai Q, Qiao L, et al. Highly stable aromatic poly (ether sulfone) composite ion exchange membrane for vanadium flow battery[J]. Journal of Membrane Science, 2017, 541: 465-473.

好的阅读习惯是阅读质量的保障,但是习惯不会凭空养成。整本书阅读正是培养阅读习惯的有效途径。整本书阅读要求学生必须自学、自读,自己去理解书中的内容,教师不仅会就他们不理解的内容进行讲解,还会对他们进行方法的指导。由于整本书在内容上有连贯性,有利于吸引读者兴趣。我们可以从简单有趣味的读本入手,如小说、诗歌、人物传记等,然后随着学段的不同,有针对性的提升阅读难度,增加文章的长度,使学生在不断的过渡中掌握阅读方法,逐渐可以阅读一些难度较大的读本,比如,哲学著作、学术著作等。这样循序渐进的学习,对于良好阅读习惯的养成是很有帮助的。

[16] Yu L, Lin F, Xu L, et al. A recast Nafion/graphene oxide composite membrane for advanced vanadium redox flow batteries[J].RSC Advances, 2016, 6(5): 3756-3763.

[17] Lu W, Yuan Z, Zhao Y, et al. High-performance porous uncharged membranes for vanadium flow battery applications created by tuning cohesive and swelling forces[J]. Energy & Environmental Science, 2016, 9(7): 2319-2325.

 
焦海稳,王泓睿,周彬,李辉勇,吴雄伟
《广州化学》 2018年第02期
《广州化学》2018年第02期文献

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