[发明专利]纳米选择性溶胶-凝胶陶瓷膜、选择性膜结构及相关方法

说明书

描述了纳米多孔选择性溶胶凝胶陶瓷膜、选择性膜结构以及相关方法。代表性陶瓷选择性膜包括离子导电膜(例如，质子导电膜)和气体选择性膜。膜的代表性用途包括作为离子导电膜结合到燃料电池和氧化还原液流电池(RFB)中。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月4日提交的申请号为62/613,719的美国临时申请和2018年1月4日提交的申请号为62/613,712的美国临时申请的权益，其公开内容明确地通过全文引入并入本文。

背景技术

能够选择性过滤分子的纳米多孔陶瓷膜相比其聚合物对应物具有许多优势，包括增强的化学稳定性和较低的结垢性。陶瓷膜的高温烧结和煅烧被用于提高耐用性并减少晶界，否则，陶瓷膜会在产生气密和液密密封所需的压力下破裂。不幸的是，这些高温处理步骤极大地增加了膜的成本，以至于它们通常不能在商业上实施。

产生陶瓷选择性膜的能力对于氧化还原液流电池(RFB)可以是特别重要的。RFB为电网规模的储能需求提供了一个有前景的解决方案。与传统的固态电池不同，RFB中的电解质存储在外部槽中，并被泵送通过电池的电芯堆。因此，RFB具有多种有吸引力的品质，例如易于扩展、使用寿命长以及功率和能量分离。不幸的是，当前RFB的高成本阻碍了它们的广泛商业化的能力。膜是造成高成本的重要原因，它可以占总资本成本的40％。在这些应用中，膜必须能够传输电荷平衡离子并防止活性物质交叉。商业膜的离子选择性差已经引起对全钒RFB(VRFB)的重视，全钒RFB(VRFB)由于其对称的电解质成分而可以减轻交叉的有害影响。交叉不会导致容量的永久损失，而只会导致VRFB的效率损失。但是，钒价格昂贵，可能导致占RFB的总资本成本的高达50％。美国能源部列出的RFB的目标成本为100美元/千瓦时，而VRFB的估计资本成本为447美元/千瓦时。

作为第一个真正的RFB，铁铬氧化还原液流电池(ICRFB)就其成本效益而言非常有吸引力，它包括廉价而丰富的活性材料。它的标准总体电芯电势为1.18V，下面列出电池内部发生的反应在。

正电极:

负电极:

总体:

尽管ICRFB具有成本效益，但它仍然易于引起活性物质的明显膜交叉，其导致不可逆的容量衰减。许多其他廉价的RFB化学品也具有相同的容量情况，很大程度上阻止了它们的商业化。

仍然需要一种选择性的溶胶-凝胶膜，它可以降低液流电池的成本并实现新的液流电池化学性质。

发明内容

本概述以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

在一个方面，本公开提供了一种纳米多孔选择性溶胶-凝胶陶瓷膜，其大体上包括：具有直径为10nm以上的多个载体孔的多孔载体；和纳米多孔复合材料，其包含填充所述多孔载体的至少一部分的纳米多孔溶胶-凝胶陶瓷复合材料；其中，所述纳米多孔复合材料包括多分散指数为0.5以下且半径为5nm以下的多个纳米孔。

在另一方面，本公开提供了一种纳米多孔选择性溶胶-凝胶陶瓷膜，其大体上包括：具有直径为10nm以上的多个载体孔的多孔载体；和纳米多孔复合材料，其包含填充所述多孔载体的活性区域的至少一部分的纳米多孔溶胶-凝胶陶瓷复合材料；其中，所述纳米多孔溶胶-凝胶陶瓷具有分形纳米多孔结构，其是通过将所述纳米多孔溶胶-凝胶陶瓷的小角度散射光谱拟合至数学模型而确定的。

在另一方面，本公开提供了一种选择性膜结构，其大体包括以平面构型接合的多个单独的选择性膜。

附图说明

当结合附图时，通过参考以下详细描述，本发明的前述方面和许多伴随的优点将变得更加容易理解，其中：