基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究

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1、基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究第31卷第2期2011年4月膜科学与技术MEM_BRANESCIENCEANDTECHNOL0GYVo1.31No.

2、2Apr.2011基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究范永生,陈晓,王保国(清华大学化学工程系,北京100084)摘要:利用交流阻抗谱测定技术,建立一种离子交换膜导电性能评价方法;使用两极室槽电解池,分别测得电解质溶液,以及膜和电解质溶液之和的电阻值,相减后得到离子交换膜在该电解液中的电阻值.通过并联电阻形成完整的半圆弧形交流阻抗谱,能够有效减小测量误差.利用硫酸水溶液体系,氯化钠水溶液体系,以及全钒液流电池的钒电解液体系验证基于交流阻抗谱的膜电阻测定技术准确性,实用性.在此基础上揭示阳离子交换膜,阴离子交换膜对离子的不同吸附特性,以及膜面电阻对电解质溶液浓度依存特性.研究结果对于发展离

3、子交换膜快速表征技术,以及开发新能源领域的离子交换膜具有重要价值.关键词:膜面电阻;离子交换膜;交流阻抗谱;全钒液流电池中图分类号:TQ15文献标识码:A文章编号:1007—8924(2011)02—0014—05离子交换膜作为具有选择性分离特性的功能材料,能够在电场中实现电解质溶液中的离子分离.经历了半个多世纪的发展,最初应用在盐水浓缩和海水淡化,以及电场下的工业分离领域1];近年来,随着能源技术发展的需要,离子交换膜的应用进一步扩展到新能源技术领域[2],例如,燃料电池,液流电池等.新型电池的开发为离子交换膜开辟了更加广阔的应用空问,离子交换膜的结构也从最初的非均相膜发展为结构均一

4、,功能基团繁多的均相膜[.7.在外加电场条件下,离子交换膜通过传导离子导通电流,可以使用膜电阻来定量表征膜材料导通离子的能力.离子透过膜传递时的阻力由多种综合因素共同构成,包括空间位阻,局部电场效应,以及离子,分子间力的相互作用等.已有多种文献报道膜电阻,膜电导率的表征方法,分为直流和交流两种方法.1952年Juda等提出以铜片作电极,在一定浓度的氯化钠溶液中,使用6O～1000Hz的交流电桥测量膜电导率;莫剑雄等_5]采用Ag—AgC1可逆电极作测量电极,尼龙布做间隔,夹在待测膜的两侧,以0.1MNaC1溶液为介质,在50或1000Hz交流电信号下使用电导率仪测量膜面电阻值;侯俊波等

5、r6采用交流两极法测定燃料电池用离子交换膜的电导率;张东方_7等采用四电极质子补偿法测定质子交换膜电导率.虽然这些方法提供了宝贵的测定经验,但仍然存在诸多问题,包括在不同的交流频率下测定结果误差较大,用于燃料电池体系或测得的电导率为切线方向与实际使用的法线方向电导率不符.迄今为止,缺少恰当的仪器方法表征离子交换膜内离子传导和离子选择性分离性能.特别是在液流电池体系中,离子交换膜工作在电解质溶液中,不同类型的液流电池工作电解液不同;除去其本体所具有的离子基团外,还会吸附一部分电解质溶液中的离子基团,这些离子基团共同作用于膜内离子迁移过程Es,g].迫切需要发展快速准确的技术与方法,评价离

6、子交换膜面电阻的大小及其影响因素.本文基于交流阻抗谱测定技术,提出一种高精度,快速测量离子交换膜面电阻的方法,使用阳离子交换膜,阴离子交换膜,分别研究在氯化钠水溶液,硫酸水溶液,以及全钒液流电池的电解液中的导电特性.该方法有助于准确表征离子在膜内的传质,为收稿El期:2010—04—29;修改稿收到日期:2010—05—11基金项目:国家自然科学基金(20876086,21076112);国家”863”课题(20o7AA05Z245);国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB227202)作者简介:范永生(198O一),男,河南人,主要研究方向为液流电池技术.*通讯联系

7、人<bgwang@tsinghua.edu.cn)第2期范永生等:基于交流阻抗法的离子交换膜电阻研究发展新型离子交换膜材料和新能源技术领域的应用奠定基础.1理论分析通常的离子交换膜由膜内固定电荷与可解离离子构成,将其置于电解质溶液中时,可解离离子离开高分子主链进入溶液,膜表面呈荷电状态.为了满足电中性原理,溶液中的反电荷离子将吸附在离子交换膜表面,形成双电层结构.在外电场作用下,离子通过膜相形成的致密层传递电荷,需要分别通过膜面两侧的固液