碳材料的表面改性及其電容去離子性能研究.pdf

1、隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，全球?qū)λY源的需求與日俱增;但由于植被破壞、水體污染等原因，人類可利用的水資源卻在不斷減少，這導(dǎo)致水資源供需矛盾日益加劇。鑒于地球上具有儲(chǔ)量豐富的海水和苦咸水資源，通過脫鹽技術(shù)生產(chǎn)淡水成為解決這一矛盾的有效途徑。電容去離子(Capacitive deionization，CDI)是一項(xiàng)基于電吸附原理的新型脫鹽技術(shù)，具有常溫常壓和低電壓操作、環(huán)境友好以及能量效率高等特點(diǎn)。電極是CDI的關(guān)鍵組件，電極材料的表面性質(zhì)和結(jié)

2、構(gòu)對(duì)CDI的性能具有顯著影響。本文旨在通過調(diào)控CDI電極材料的表面性質(zhì)、制備新型的CDI電極材料并結(jié)合不同的操作方式提高CDI的脫鹽量、電荷效率和循環(huán)穩(wěn)定性并降低其能耗，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)采用經(jīng)過硝酸處理的活性炭纖維(ACF-HNO3)作為陰極、未處理炭纖維(ACF)作為陽極，組裝了非對(duì)稱的CDI模塊(N-CDI)。硝酸處理在ACF表面引入了大量帶負(fù)電的官能團(tuán)，使其零電荷電位發(fā)生正向移動(dòng)從而表現(xiàn)出良好的陽離子選擇

3、性，因此當(dāng)被用作陰極時(shí)，ACF-HNO3電極能夠有效避免同性離子排斥效應(yīng)，從而使N-CDI的脫鹽性能遠(yuǎn)優(yōu)于兩極均為未處理ACF的模塊。在500mg/L NaCl和1.2V的電壓下N-CDI的脫鹽量可達(dá)128mg/g，電荷效率最高可達(dá)91.1％。
　　(2)分別對(duì)活性炭(AC)進(jìn)行了季銨化聚(4-乙烯基吡啶)(QPVP)修飾和硝酸處理，并將所得到的AC-QPVP和AC-HNO3電極組裝成非對(duì)稱的CDI模塊(Q-N)。由于Q-N的兩電

4、極上分別帶有大量的正電荷和負(fù)電荷，在反式操作中其操作電壓窗口可達(dá)1.4V，脫鹽量接近兩極均為未處理AC的普通CDI(AC-AC)，但其循環(huán)性能遠(yuǎn)優(yōu)于AC-AC;當(dāng)對(duì)Q-N在吸脫附過程中分別施加正反電壓時(shí)，其操作電壓窗口可達(dá)2.4V，在1.2/-1.2V的電壓下脫鹽量可達(dá)20.6mg/g。
　　(3)制備了具有贗電容性質(zhì)的MnO2作為陽極材料，并與AC-QPVP電極組裝成一個(gè)無離子交換膜的雜化CDI體系。在操作過程中，該體系表現(xiàn)出反

5、式的脫鹽性能，其操作電壓窗口可達(dá)1.4V，在500mg/L NaCl和1.4/0V的電壓下其脫鹽量可達(dá)14.9mg/g。該體系避免了碳基陽極的使用及其氧化對(duì)脫鹽性能的影響，因此表現(xiàn)出了遠(yuǎn)優(yōu)于AC-AC的循環(huán)穩(wěn)定性，在1.0/0V的電壓下循環(huán)350次后，其脫鹽量保持率可達(dá)95.4％。
　　(4)通過對(duì)淀粉直接進(jìn)行碳化和KOH活化制備了具有高比表面積的多孔碳納米片(PCNSs)用作CDI的電極材料，并將太陽能電池和CDI結(jié)合組成一個(gè)復(fù)