[发明专利]以锌-金属有机骨架材料为中间界面层的双极膜在光电催化固氮中的应用

权利要求书

1.一种以锌-金属有机骨架材料为中间界面层的双极膜在光电催化固氮中的应用，其特征在于：所述应用是以中间界面层含有锌-金属有机骨架材料的双极膜作为阴极室和阳极室隔膜，配制100-200克/升的离子液体电解质溶液，阴极室采用50-200 mL min^-1流速的N₂进行鼓泡，金属或金属氧化物作为阳极，半导体材料或过渡金属氧化物作为阴极，采用直流稳压电源提供外加电压0.5-2.0 V，350 W氙灯作为光源，在光电催化作用下，将氮气固定并还原为氨；

所述锌-金属有机骨架材料的制备方法是按下列步骤进行的：

（1）将干燥过的硝酸锌和对苯二甲酸按照摩尔比为4∶3溶于N，N-二甲基甲酰胺，然后加入1-丁基-3-甲基咪唑氯盐或1-丁基-3-甲基咪唑溴盐的离子液体，搅拌至完全溶解；

（2）采用锌片作为阳极，钛片或铜片作为阴极，上述步骤（1）中配制的液体作为电解液，在电流密度为0.005A·cm^-2 -0.055A·cm^-2 下进行反应；

（3）反应0.5-5.5h 后，溶液中有白色絮状沉淀析出，过滤沉淀，然后用N,N-二甲基甲酰胺和氯仿分别洗涤三次后烘干保存；

所述双极膜的制备为：

将聚乙烯醇或聚丙烯亚胺配置成浓度为0.05-1.0 mol L^-1的水溶液，然后加入锌-金属有机骨架材料，搅拌均匀后即制得中间界面层膜液；

配制质量分数为1.0-5.0%的羧甲基纤维素或醋酸纤维素水溶液，以及1.0-5.0%的聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮水溶液，混合后并不断搅拌形成胶状物，静置脱泡60-100分钟后制得阳离子交换膜液；

配制质量分数为1.0-5.0%的壳聚糖、聚酰亚胺或苯并咪唑的水溶液，以及1.0-5.0%的聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮水溶液，混合后并不断搅拌形成胶状物，静置脱泡60-100分钟后制得阴离子交换膜液；

采用逐层流延法制备双极膜，先将阳离子交换膜液流延于洁净的带边框玻璃板上，室温风干后得到阳离子交换膜，然后将中间界面层膜液采用化学交联或物理吸附的方法流延于阳离子交换膜表面，干燥处理后形成中间界面层，最后将阴离子交换膜液流延于中间界面层表面形成阴离子交换膜层，干燥处理后得到双极膜；

所述阳离子交换膜厚度为30-50 nm，阴离子交换膜厚度为30-60 nm，中间界面层厚度为0.01-5.0 nm。

2.根据权利要求1所述的以锌-金属有机骨架材料为中间界面层的双极膜在光电催化固氮中的应用，其特征在于：所述离子液体电解质溶液是将1-丁基-3-甲基咪唑氯盐或1-丁基-3-甲基咪唑溴盐溶于N，N-二甲基甲酰胺的离子液体。

3.根据权利要求1所述的以锌-金属有机骨架材料为中间界面层的双极膜在光电催化固氮中的应用，其特征在于：所述金属或金属氧化物是钛基氧化物、Pt和Pd中的一种。

4.根据权利要求1所述的以锌-金属有机骨架材料为中间界面层的双极膜在光电催化固氮中的应用，其特征在于：所述半导体材料或过渡金属氧化物是BiOCl、MoS₂、WS₂、Cu₂O、TiO₂和WO₃中的一种或几种复合。

5.根据权利要求1所述的以锌-金属有机骨架材料为中间界面层的双极膜在光电催化固氮中的应用，其特征在于：所述锌-金属有机骨架材料是在离子液体中采用电化学法合成的形貌结构呈现球状或花朵状，直径为0.5-5µm，分子式为Zn₄O(BDC)₃的催化剂，其中，BDC =对苯二甲酸基团。