Использование послойно собранных композитных глинистых межфазных слоев для ускорения диссоциации воды в биполярных мембранах

Были изготовлены и охарактеризованы биполярные мембраны (BPM) с послойно (LbL) собранным композитным межфазным слоем из монтмориллонитовой глины (K30 MMT) и полиэлектролита (PE), нанесенным на электроформованную опору из сульфированного поли(эфирэфиркетона) (SPEEK), а также проанализированы их характеристики диссоциации воды. В частности, исследовали влияние присутствия глины K30 MMT в качестве катализатора диссоциации воды, числа билайеров (трех, шести и девяти) и силы полиэлектролита — полиэтиленимина (PEI) как слабого полиэлектролита и поли(диаллилдиметиламмонийхлорида) (PDADMAC) как сильного полиэлектролита — на характеристики BPM. Биполярные мембраны изготавливали методом электроформования и горячего прессования SPEEK и полимера Fumion FAA-3. Добавление композитных многослойных структур в межфазный слой BPM снизило удельное сопротивление мембраны при обратном смещении с 560 до 21 Ом·см² для наиболее эффективной модифицированной BPM. Число билайеров лишь незначительно влияло на общее сопротивление мембраны, тогда как BPM на основе PDADMAC превосходили BPM на основе PEI вследствие более высокой и стабильной адсорбции полиэлектролита и глины. Электрохимическая импедансная спектроскопия показала, что толщина обедненного слоя экспоненциально уменьшается с увеличением числа билайеров, поскольку реакция диссоциации воды становится менее зависимой от электрического поля в межфазном слое. Кроме того, более сильное исключение Доннана в модифицированных межфазных слоях повысило селективность BPM по ионам втрое по сравнению с BPM, не содержащей катализатора. В совокупности эти улучшения привели к снижению энергопотребления в 6,7 раза при электродиализе с использованием BPM для получения кислоты и основания, когда применяли BPM с композитным LbL-межфазным слоем, по сравнению с BPM без катализатора. Таким образом, добавление LbL-катализатора на основе композита с глиной MMT в межфазные слои BPM представляет собой перспективный способ повышения эффективности и снижения энергопотребления электрохимических процессов, основанных на применении BPM.