均相离子交换膜

徐铜文，中国科学技术大学讲席教授、博士生导师，中国化工学会会士，享受国务院政府特殊津贴。1989年、1992年分别获得合肥工业大学学士和硕士学位，1995年获天津大学博士学位，1997年南开大学博士后出站加入中国科技大学工作至今，期间先后在东京大学、东京工业大学、韩国光州科技研究所访问研究。兼任民建科大支部主委。他先后入选教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划首席科学家，国家百千万人才工程，中科院王宽诚产研人才计划；目前担任中国膜工业协会电驱动膜专委会主任，Journal of Membrane Science编辑、《化工学报》等期刊编委，曾担任国家自然科学基金委员会第13-14届化学工程学科评审组成员，高等学校应用化学与化工基础教学改革联合协作组成员；在Adv Mater, Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Chem, Nat Commun, Energy environ sci, AIChE J等期刊发表论文500余篇，2014以来连续入选Elsevier高被引作者名单。出版中文专著三部，主编英文专著3部，受邀撰写中英文专著有关章节30余章。获得授权发明专利80余项，部分成果已经推广应用。获得国家技术发明二等奖1次（排1），省部级及行业协会一等奖5次、二等奖2次。他还先后获得中国科大-唐立新优秀学者奖、侯德榜化工科学技术（创新）奖、合芜蚌自主创新综合试验区创新人才奖、安徽省青年科技奖、全国优秀化工科技工作者、中国科大海外校友基金会优秀青年教师奖、中国石油化工协会创新团队奖、民建全国优秀会员等荣誉，2019年获中共中央、国务院、中央军委颁发的庆祝中华人民共和国成立70周年纪念章。

第一章 绪论 001

第一节　离子交换膜的定义及分类 002

一、离子交换膜的定义 002

二、离子交换膜的分类 002

第二节　离子交换膜的发展历史 008

第三节　离子交换膜主要应用领域 013

一、能量转化与存储 013

二、物质转化与产物分离 025

三、水处理 038

第四节　离子交换膜制备 038

一、侧链工程学制备均相离子交换膜 040

二、聚酰基化制备均相离子交换膜 040

三、“无醚”聚合物离子交换膜的开发 041

四、超分子化学组装制备均相离子交换膜 042

五、自具微孔离子交换膜的开发和应用 042

第五节　离子交换膜展望 043

参考文献 046

第二章 基础理论及表征方法 051

第一节　均相离子交换膜技术基本原理 052

一、Donnan平衡理论 052

二、传质过程理论 054

三、过程极化 058

第二节　离子交换膜基本参数及表征 073

第三节　面向能源应用领域离子交换膜的参数及表征 080

一、燃料电池隔膜表征方法 080

二、液流电池隔膜表征方法 084

三、电解水制氢隔膜表征方法 086

参考文献 087

第三章 侧链工程学制备均相离子交换膜 089

第一节　侧链工程学概述 090

一、Nafion的结构-形貌 090

二、接枝型聚合物微相分离 091

第二节　侧链离子交换膜结构设计 092

一、侧链阳离子交换膜结构设计 092

二、侧链阴离子交换膜结构设计 108

第三节　侧链离子交换膜交联 120

一、通过不饱和端基交联制备自交联型离子聚合物 120

二、侧链氢键交联 121

三、互穿网络 122

第四节　侧链离子交换膜功能基团设计 122

一、侧链阳离子交换膜功能基团设计 122

二、侧链阴离子交换膜功能基团设计 122

第五节　侧链离子交换膜微观形貌 126

一、侧链阳离子交换膜微相分离 126

二、侧链阴离子交换膜微相分离 128

第六节　侧链离子交换膜应用性能评价 130

一、燃料电池 130

二、扩散渗析 132

三、电渗析 132

第七节　小结与展望 133

参考文献 134

第四章 聚酰基化制备均相离子交换膜 143

第一节　聚酰基化反应概述 144

一、聚醚酮/聚醚砜类材料合成原理 144

二、聚酰胺类/聚酰亚胺类材料合成原理 146

三、酸性介质和反应条件对反应的影响 150

第二节　聚酰基化制备阳离子交换膜 151

一、聚酰基化制备聚醚酮类阳离子交换膜 151

二、聚酰基化制备聚酰亚胺类阳离子交换膜 156

三、聚酰基化/杂环化制备聚苯并咪唑阳离子交换膜 161

第三节　聚酰基化制备阴离子交换膜 165

一、聚酰基化制备侧链季铵型聚醚酮阴离子交换膜 165

二、聚酰基化制备主链含冠醚的侧链季铵型聚醚酮阴离子交换膜 169

第四节　聚酰基化制备离子交换膜应用性能评价 170

一、质子交换膜燃料电池 170

二、碱性燃料电池 178

参考文献 179

第五章 超强酸催化制备均相离子交换膜 185

第一节　概述 186

第二节　超强酸催化制备聚合物 187

一、超强酸催化作用 187

二、超强酸催化在聚合物制备中的应用 190

第三节　超强酸催化制备离子交换膜 194

一、超强酸催化法制备离子交换膜的意义及优势 194

二、超强酸催化制备阴离子交换膜 199

三、超强酸催化制备质子交换膜 223

第四节　超强酸催化制备离子交换膜应用性能评价 227

一、燃料电池 227

二、碱性膜电解水制氢 233

第五节　小结与展望 239

参考文献 240

第六章　超分子化学组装制备均相离子交换膜 243

第一节　概述 244

第二节　超分子化学构筑均相离子交换膜 245

一、π-π作用构筑均相离子交换膜 245

二、氢键作用构筑均相离子交换膜 247

三、离子-偶极作用构筑均相离子交换膜 249

四、主客体作用构筑均相离子交换膜 267

第三节　自组装类均相离子交换膜应用性能评价 279

一、氢键作用促进H+选择性渗透 279

二、离子-偶极作用网络促进燃料电池性能 281

第四节　小结与展望 282

参考文献 283

第七章 自具微孔均相离子交换膜 285

第一节　自具微孔均相离子交换膜概述 286

第二节　自具微孔聚合物的制备 287

一、二苯并二氧己环型 287

二、Tr?ger’s Base型 292

三、聚酰亚胺型 294

四、聚氧杂蒽型 298

五、其他类型 299

第三节　自具微孔聚合物的荷电化制备均相离子交换膜 306

一、氰基的水解与氨肟化制备均相离子交换膜 307

二、季铵化反应制备均相阴离子交换膜 310

三、磺化反应制备均相阳离子交换膜 314

第四节　自具微孔均相离子交换膜的应用性能评价 315

一、燃料电池 316

二、液流电池 320

第五节　小结与展望 326

参考文献 327

第八章 新型微孔框架离子分离膜 333

第一节　概述 334

第二节　新型微孔框架离子分离膜 336

一、金属有机框架膜 336

二、共价有机框架膜 350

三、多孔有机笼膜 370

第三节　微孔框架离子分离膜应用性能评价 378

第四节　小结与展望 379

参考文献 380

第九章 均相离子交换膜组件设计及工程应用实例 389

第一节　均相离子交换膜组件设计 390

一、扩散渗析器 390

二、电渗析器 396

第二节　酸回收应用案例 412

一、项目背景 412

二、电子刻蚀（电极箔行业）废酸回收 412