[发明专利]一种超薄b取向ZSM-5沸石分子筛膜、制备方法以及在钒氧化液流电池中的应用

说明书

本发明涉及一种超薄b取向ZSM‑5沸石分子筛膜、制备方法以及在钒氧化液流电池中的应用，属于液流电池技术领域。由沸石纳米片制成的低缺陷密度、薄而[0k0]的平面外取向的ZSM‑5沸石分离膜实现了增强的离子选择性和离子导电性，从而提高了电池性能。因此，装有ZSM‑5沸石膜的VFB表现出了优异的阻钒性能，自放电时间达到116.2小时，远远超过了Nafion 212(45.9小时)。此外，在80mA cmsupgt;‑2/supgt;电流密度下，VFB的性能在1000次循环中保持稳定。

技术领域

本发明涉及一种超薄b取向ZSM-5沸石分子筛膜、制备方法以及在钒氧化液流电池中的应用，属于液流电池技术领域。

背景技术

固定式电化学储能(EES)因其能够平衡间歇性可再生能源提供的不稳定电力而吸引了大量的关注。钒氧化液流电池(VFBs)由于其容量可调、环境友好、安全性高和效率优异，是最有前途的大规模储能技术之一。膜是VFBs中最关键的部件之一，负责分离阴极和阳极，同时允许质子在膜内运输，形成一个完整的回路。传统的聚合物膜由于其出色的稳定性和高质子传导性，被广泛地用作VFB的质子传导膜。然而，由于其严重的溶胀性导致的较差的离子选择性大大限制了其在VFB中的进一步应用。

近年来，具有分子筛分能力的多孔膜在VFBs中显示出巨大的应用潜力。特别是分子筛材料，如沸石、金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)，与聚合物多孔膜相比，具有更窄的孔径分布和更有序的互连通道，有望实现高离子传导率和精确分离。然而，它们在强酸和强氧化等苛刻条件下的不稳定性导致使用受限。MFI型沸石是一种具有三维多孔结构的硅铝酸盐或硅酸盐材料，已被证明具有极其出色的抗酸和抗氧化性，其沿a轴是0.51×0.55nm的正弦孔道，沿b轴是0.53×0.56nm的直孔道，可以完美地阻挡电解质中的钒离子(＞0.6纳米)。在以前的研究中，发现ZSM-5沸石(MFI沸石框架中的部分Si⁴⁺被Al³⁺取代)具有更好的亲水性和质子传输能力，并在VFB中显示出良好的电池性能[1]。然而，传统的三维(3D)沸石膜具有较厚的膜层和随机的孔道取向，这限制了质子渗透的速度[2]。

非专利文献1：Z.Xu,I.Michos,Z.S.Cao,W.H.Jing,X.H.Gu,K.Hinkle,S.Murad,J.H.Dong,Proton-Selective Ion Transport in ZSM-5Zeolite Membrane,J Phys ChemC,120(2016)26386-26392.

非专利文献2：P.Kumar,D.W.Kim,N.Rangnekar,H.Xu,E.O.Fetisov,S.Ghosh,H.Zhang,Q.Xiao,M.Shete,J.I.Siepmann,T.Dumitrica,B.McCool,M.Tsapatsis,K.A.Mkhoyan,One-dimensional intergrowths in two-dimensional zeolitenanosheets and their effect on ultra-selective transport,Nat Mater,19(2020)443.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是应用于全钒氧化液流电池中具有分子筛分性能的隔膜存在质子渗透性低以及电池性能差的问题。本发明采用了由沸石纳米片制成的具有低缺陷密度的超薄b取向的ZSM-5沸石分离膜实现了增强的离子选择性和离子导电性，从而提高了电池性能。

一种超薄b取向ZSM-5沸石分子筛膜，包括支撑层以及选择分离层，所述的选择分离层是由ZSM-5纳米片所构成，ZSM-5纳米片相互间都具有[0k0]面外取向，所述的ZSM-5纳米片的孔径0.51-0.56nm。

选择分离层具有100-500nm厚度。

所述的支撑层是多孔陶瓷材料。

上述的超薄b取向ZSM-5沸石分子筛膜的制备方法，包括如下步骤：