[发明专利]一种MXene膜在反向电渗析发电中的应用

说明书

本发明提供了一种MXene膜在反向电渗析发电中的应用，该MXene膜具有二维层状结构，其厚度为1‑30μm，单片层间距为0.1‑0.5nm。将MXene膜应用在反向电渗析发电中，可以获得膜导电率更大、离子传导能力更强、离子交换容量更大、膜电阻更小、离子选择性更强的发电系统，进而提供较高的发电效率，且维持时间长；另一方面，在反向电渗析发电过程应用MXene膜，可以扩大浓盐溶液和稀盐溶液的浓度及pH范围，在浓度差较小、酸性和碱性环境中都能保证较高的发电效率，在反向电渗析领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及利用发电技术领域。更具体地，涉及一种MXene膜在反向电渗析发电中的应用。

背景技术

随着人类社会的高速发展，人们对能源的需求在日益增加。自第二次工业革命以后，电能成为了一种高价值、易利用的能源方式。目前的发电方式包括火力发电、水利发电以及新能源的利用。然而，火力发电利用不可再生的化石燃料，同时会导致严重的环境污染问题。水电站的建设会改变水文环境，对水生物生存产生影响。新能源(如风能、地热能、核能、太阳能等) 的利用目前仍存在一定的技术障碍，无法大规模应用。反向电渗析与电渗析脱盐过程相反，利用离子交换膜两侧的浓盐溶液中的离子向稀盐溶液的选择性扩散进行发电。根据理论计算，全球范围内的主要河流在入海口处大约可以产生2TW的电能，因此反向电渗析是一种环境友好、可再生的发电方式，利用反向电渗析发电方法具有重要意义。

离子交换膜是反向电渗析发电的核心要素，其电化学性质和物理性能对发电效率有决定性作用，对于膜材料、膜制备的探索在不断进行。目前常用的商业膜，如AHM-PES膜的厚度为714μm，CMS-PES膜的厚度为700μm， AMV的厚度为124μm，CMX膜的厚度为164μm，以及AMX膜的厚度为134μm， CES膜的厚度为112.55μm。膜的厚度对膜电阻及膜的离子选择性能有重要影响，将上述常用的商业膜应用于反向电渗析发电，其膜厚度较大，会对输出功率产生影响。

因此，有必要针对反向电渗析发电过程，选择适合的离子交换膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MXene膜在反向电渗析发电中的应用，

本发明采用下述技术方案：

一种MXene膜在反向电渗析发电中的应用。

优选地，MXene膜具有二维层状结构，其厚度为1-30μm，单片层间距为0.1-0.5nm。

进一步地，例如，所述MXene膜的厚度还可以为但不限于1.5-25μm、2-20 μm、2.5-15μm、3-10μm、4-8μm或5-6μm；所述MXene膜的层间距还可以为但不限于0.15-0.45nm、0.2-0.4nm或0.25-0.35nm。

需要说明的是MXene膜指的是过渡金属碳/氮化物膜，具有二维层状结构，且层状结构中的各单片层之间具有间距，为离子穿过膜提供了路径；该膜带负电荷，当浓盐溶液中的阴阳离子在盐差的驱动下具有向稀盐溶液迁移的趋势时，该膜选择性的允许阳离子通过，而将阴离子阻隔在浓盐溶液中。将其用在反向电渗析发电中，允许阳离子选择性的通过，形成了电荷的定向移动，产生了电流，实现了盐差能向电能的转化。

本发明提供的MXene膜的厚度为1-30μm，此厚度相比其他离子交换膜的厚度要小很多，因此，该MXene膜的电导率更大，离子传导能力更强，离子交换容量更大，膜电阻更小；另外，MXene膜中供离子通过的层间距则为0.1-0.5 nm，且层间距可控，较小的层间距大大提高了该膜对阳离子的选择性。因此，本发明提供的MXene膜在具有较小膜电阻的同时，还保障了强的离子选择性。

结合发电过程，浓盐溶液中的阳离子通过MXene膜迁移入稀盐溶液，大量阳离子的定向迁移形成内电流；浓盐溶液中剩余大量的阴离子，其在阳极表面聚集，阳极电极与阴离子发生氧化反应失去电子，电子通过外电路流向稀盐溶液侧的阴极表面，阴极电极得到电子发生还原反应。