同轴静电溶液喷射法MOFs/FPAS纳米纤维水电解制氢隔膜结构的调控与离子传输特性研究

Hydrogen energy is one of the important novel energy sources, and the water electrolysis technology is a crucial method to achieve the mass productionof hydrogen. The water electrolysis separator is the key material to guarantee the current efficiencyand the gas purityduring the electrolytic process, but the short life and high energy consumptionrestrict the development of hydrogen energy industrialization.The project intends to realize the construction of high-speed ion transport channels in novel Metal-Organic Frameworks/Functional Poly Aromatic Sulfide (MOFs/FPAS) electrolytic hydrogen production separator via coaxial electro-spraying technology, functional modification of MOFs nanoparticles and structural regulation and nanofibers..Theproject focuses on the enhancingeffect mechanism of the structure, distribution and surface ion transfer site groupon MOFs to the fiber ion conduction performance.The influence rule of the coupling interaction of high voltage electric field and airflow fieldonthe fiber structure, arrangement mode, pore diameter distribution and porosity will be studied.The“structure configuration-ionic conductionefficiency-hydrogen production cost”comprehensive evaluation system in terms ofMOFs/FPAS composite water electrolysis separator will beestablished by calculating the nanofibers orientation using Regionprops function.High-performance electrolytic hydrogen production separators with “Double directional” composite structure can be developed by putting this project into effect, and theoretical basis and technical support for developing high-performance nanofiber electrolytic hydrogen production separators can be provided.

氢能源是重要的新型能源之一，电解水技术是目前实现大规模制氢的重要手段。水电解隔膜是保证电解过程电流效率和气体纯度的关键材料，目前，存在寿命低、能耗高等制约氢能源产业发展的共性问题。本项目拟以同轴静电溶液喷射为技术手段，从MOFs功能化修饰及纳米纤维膜的结构调控方面入手，实现新型MOFs/改性聚芳硫醚（FPAS）水电解制氢隔膜材料的高效离子传递通道的构建。.重点研究MOFs的结构、分布及表面离子传递位点基团等关键因素对纤维离子传导性能的增强机制；高压电场与气流场耦合交互作用对纤维结构、排列方式、孔径分布与孔隙率的影响规律，参考Regionprops函数对纳米纤维取向度进行求解，建立MOFs/FPAS复合水电解隔膜的“结构构型-离子传导效能-氢能制备成本”的综合评价体系；开发出具有“双定向”复合结构的高性能水电解隔膜材料。旨在通过项目的开展，为高性能水电解隔膜的开发提供理论依据和技术支撑。

本项目以构建高性能能源用特种纤维隔膜为目标，从功能化聚苯硫醚（FPAS）树脂结构调控、纳米粒子共混改性及微纳米纤维隔膜的制备等层次，多层复合型纤维隔膜为构建目标，以纳米纤维和纳米粒子共混改性为基础，建立制备微孔功能化纳米粒子聚合物复合纳米纤维新方法，并研究及揭示纳米纤维形貌及共混改性对纤维隔膜性能的影响规律，建立了高性能纤维隔膜的设计的新方法。成功开发了具有导电性、亲水性以及智能响应性等特殊性能的FPAS纤维膜及非织造材料，揭示了纳米粒子对FPAS隔膜材料的增强机制。.制备了低熔点功能化FPAS材料，系统表征了新型功能化FPAS材料的化学结构特点及形貌特征，明确分子链结构调控对材料热稳定性、结晶行为以及机械性能的影响。利用不同空间结构的ZIF-8、UI66、CA/TiO2/SNPs改性FPAS材料，剖析了纳米粒子与FPAS分子链之间的增强机制，研究了纳米粒子的引入对FFPAS材料热稳定性、亲水性、机械性能、耐溶剂性以及电化学性能的影响机制，将FPAS纤维膜在高于玻璃化温度下热压，实现FPAS纤维膜在非熔融态下（即粘流态）的结构调变，制备性能更为优异的分离与能源用FPAS基隔膜。成功开发了高稳定性FPAS基隔膜的可控制备技术、均匀小孔结构的可控制备技术、高亲液FPAS基隔膜的制备技术、pH智能响应型隔膜制备技术以及自阻隔的安全性更高的新型隔膜制备技术。.碱水电解工艺是我国提取特种工程材料（3号材料）的主要手段。其中FPAS纳微米纤维水电解制氢隔膜隔膜是电解槽的核心材料，在该基金项目的基础上，程博闻团队创新设计了FPAS纤维织物型水电解隔膜，开发出耐辐射、低能耗、高气体纯度的隔膜，成功应用于中核集团承担的世界首套高浓放射水溶液电解槽，打破国外垄断，经过应用验证，取得材料的突破，研究成果于2020年荣获中核集团科学技术特等奖和国防科学技术进步一等奖；2022年获中国纺织工业联合会科技进步一等奖；2021年获第一届中国国际博士后创新创业大赛国赛铜奖、2021年获第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛天津市金奖等。