電沉積石墨基體NiHCF電控離子分離膜電極的制備、表征及應用.pdf

1、電化學控制離子分離技術(Electrochemically controlled ion separation，ECIS)是一種環(huán)境友好的新型膜分離技術，通過電化學方法調節(jié)附著在導電基體上的離子分離膜的氧化還原電位來控制離子的置入與釋放，從而使溶液中的金屬離子得到分離并使膜再生。由于ECIS過程的主要推動力是電極電位，離子交換基體無需化學再生，消除了由化學再生過程產生的大量二次污染物，因而有可能取代傳統(tǒng)的離子交換技術而受到國內外學者的關

2、注。 本文首先以單根石墨棒為基體材料，采用陰極電沉積和毛細化學沉積方法制備出具有電化學控制離子分離(ECIS)性能的電活性(NickelHexacyanoferrate，NiHCF)鐵氰化鎳薄膜。通過EDS和SEM考察了薄膜組成及其形貌，在1M KNO<,3>溶液中采用電勢循環(huán)可逆地置入與釋放堿金屬離子，比較了不同制備方法得到的NiHCF薄膜的電活性、離子交換容量、再生能力和循環(huán)壽命；在1M(KNO<,3>+CsNO<,3>)混

3、合溶液中測定了不同濃度下薄膜的伏安特性曲線，分析了薄膜對Cs<'+>/K<'+>的選擇性。實驗表明，石墨基體上制得的NiHCF膜能夠實現(xiàn)電化學控制離子分離(ECIS)過程；兩種方法制得的薄膜對Cs<'+>均有較強的選擇性，其中電沉積膜的再生速度高于化學沉積膜，而化學沉積膜的壽命高于電沉積膜。 其次采用陰極電沉積法在27根石墨芯堆積固定的基體表面(基體表面積為85.67cm<'2>)制備鐵氰化鎳薄膜，通過EDS光譜和SEM電鏡考察

4、了膜組成及形貌。在1M NaNO<,3>溶液中通過循環(huán)伏安法研究了NiHCF薄膜電化學行為。結合循環(huán)伏安法(Cyclic Voltammetry，CV)、計時庫侖法(Chronocoulometry)和電化學交流阻抗(Electrochemical impedance spectra，EIS)技術，測定了Na<'+>、Cs<'+>的擴散系數(shù)，并分析研究了NiHCF膜表面的活性情況及傳遞特性。通過計時庫侖法得到一定電壓下NiHCF薄膜活性

5、表面積，活性體積以及氧化還原中心的濃度。其中氧化還原中心的數(shù)量n<,total>=8.01904×10<'-7>mol，膜上Fe中心的濃度C<,total>為6.64×10<'-3>mol/cm<'3>，與Kahlert等人結果一致。V<,ac>為1.21×10<'-4>cm<'3>，活性表面積A<,ac>為9.88cm<'2>?？梢?，基體表面的活性面積小于基體的理論表面積85.67cm<'2>。NiHCF膜在NaNO<,3>和CsNO

6、<,3>溶液中對Na<'+>、Cs<'+>的置入置出過程是可逆過程受擴散控制，峰電流值與掃描速度的平方根近似呈線性關系。Na<'+>擴散系數(shù)D為6.4556x10<'-8>cm<'2> s<'-1>，Cs<'+>擴散系數(shù)D為2.1×10<'-8>cm<'2> s<'-1>，此數(shù)據(jù)接近于Kahlert等人的結果(K<'+>擴散系數(shù)為1.49×10<'-9>cm<'2> s<'-1>)。研究表明，在多排石墨芯基體上可制得具有氧化還原活性的N

7、iHCF薄膜，通過增大基體表面積，可以獲得具有更大離子交換容量的NiHCF薄膜。多排石墨芯基體上制得的NiHCF膜能滿足電化學控制離子分離(ECIS)過程的要求，薄膜對Cs<'+>有很強的選擇性，且具有較好再生能力，穩(wěn)定性優(yōu)于二維基體NiHCF薄膜。 最后將多排石墨芯基體NiHCF膜電極置于含有Cs<'+>的模擬廢液中，結合離子色譜研究考察了實驗條件(如堿金屬離子濃度、外加電壓、膜表面狀態(tài)、再生過程和流動速度等)對多排石墨芯基體