[发明专利]陶瓷选择性膜

说明书

本发明公开了陶瓷选择性膜和通过在多孔膜基材上形成选择性二氧化硅陶瓷来形成陶瓷选择性膜的方法。代表性的陶瓷选择性膜包括离子传导膜(例如，质子传导膜)和气体选择性膜。膜的代表性用途包括并入燃料电池和氧化还原液流电池(RFB)中作为离子传导膜。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月2日提交的申请号为No.62/290,053的美国临时申请的权益，其全部内容以引用的方式结合于此。

政府资助

本发明是通过陆军研究办公室(Army Research Office)依据合同号W911NF-13-1-0166由国防部给予的政府支持下作出的。政府在本发明中享有一定权利。

背景技术

燃料电池和氧化还原液流电池(RFB)是强大的能量存储技术，其依赖于跨膜的离子选择性传输以产生电流。目前，用于这些技术中的膜的标准材料是全氟磺酸(PFSA)材料，这些材料以NAFION为名称销售。这些PFSA材料因其具有耐恶劣环境和离子传导的性能，因而是理想的材料。然而，这些材料相对昂贵并且需要进一步改善操作性质。

硅酸盐质子传导材料是已知的，但是其商业可行性没有被充分开发。

质子传递的一种常见机理是Grottuss跳跃，其中水合氢离子从水分子″跳跃″到水分子。该机理要求水足够自由地旋转和扩散，以促进水合氢离子的溶剂化。因此，硅酸盐质子传导材料的设计应具有足够大小的孔以促进水的分子运动(即，利于水合氢溶剂化和质子跳跃)。该孔的尺寸应该大于单个水分子(即，半径为0.138nm)，但不能大到利于其他分子的扩散传输。

因此，需要开发强大，廉价的质子传导材料，但目前显著的组成和结构限制阻止了将硅酸盐材料用作PFSA材料的替代品。

发明内容

本发明内容的提供是为了以简化的形式介绍一些精选的概念，这些概念将在下面的详细说明中进一步描述。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于辅助确定所要求保护的主题的范围。

在一方面，提供了一种形成陶瓷选择性膜的方法。在一个实施例中，该方法包括：

将陶瓷前驱体溶胶施加到多孔膜基材上；和

使用溶胶-凝胶法使陶瓷前驱体溶胶胶凝化，以便由陶瓷前驱体溶胶形成选择性二氧化硅陶瓷，从而提供由多孔膜基材支撑的包括选择性二氧化硅陶瓷的陶瓷选择性膜。

在另一方面，提供了一种陶瓷选择性膜，其包括由多孔膜基材支撑的选择性二氧化硅陶瓷。

另一方面，提供了一种选择性膜，其包括陶瓷选择性膜，该陶瓷选择性膜包括由如前所述的多孔膜基材支撑的选择性二氧化硅陶瓷。

在另一方面，提供了一种陶瓷选择性膜，其通过根据任何公开的实施方式所述的方法形成。

附图说明

参考以下附图可以更容易地理解本发明，其中：

通过参考以下详细描述并结合附图，可以更容易地理解本发明前述的方面和许多附带的优点，其中：

图1A是根据本文公开的某些实施方式使用碱性硅酸盐制备陶瓷选择性膜的溶胶-凝胶策略的示意图。