三維多孔膜電極電控離子分離過程離子傳荷-反應(yīng)特性.pdf

1、電化學(xué)控制離子分離技術(shù)(Electrochemically controlled ion separation，ECIS)是一種環(huán)境友好的新型膜分離技術(shù)，通過電化學(xué)方法調(diào)節(jié)附著在導(dǎo)電基體上的離子交換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(dòng)力是電極電位，離子交換基體無需再生，消除了由化學(xué)再生過程產(chǎn)生的二次污染物。
　　 為了提高NiHCF膜電極的離子交換容量，具有

2、大比表面積的三維多孔電極成為選擇重點(diǎn)。三維膜電極系統(tǒng)的ECIS是伴隨液相離子的擴(kuò)散傳遞與膜電極反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的復(fù)雜電荷傳遞-反應(yīng)過程，多孔電極內(nèi)部的離子擴(kuò)散特性對(duì)該新型膜電極反應(yīng)過程的離子分離效率有著重要影響。
　　 多排石墨芯(Multi-row graphite core，MRGC)基體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于施加外部電壓和易于放大的特點(diǎn)。本文采用陰極電沉積法在石墨芯基體上制備鐵氰化鎳(NiHCF)薄膜，然后組裝為多排石墨芯(MRG

3、C)膜電極系統(tǒng)于1 mol·L-1 KNO3溶液中測(cè)定其循環(huán)伏安(CV)曲線。重點(diǎn)考察了不同電極厚度與間距的MRGC基體NiHCF膜電極CV圖的陰陽極峰電位分離情況，以及不同掃描速度下膜電極系統(tǒng)的CV圖變化情況。研究結(jié)果表明，由于三維MRGC膜電極系統(tǒng)內(nèi)部離子擴(kuò)散影響，CV圖的峰電位將發(fā)生偏移。隨著石墨芯間距的增加電極內(nèi)離子擴(kuò)散阻力降低，導(dǎo)致CV圖陰陽極峰電位差Δep將減小；固定石墨芯間距而增加電極厚度時(shí)電極內(nèi)離子擴(kuò)散阻力增加使Δep也

4、隨之增加；隨著掃描速度的增加內(nèi)擴(kuò)散的影響加劇導(dǎo)致Δep增加。因此循環(huán)伏安圖陰陽極峰電位的分離程度可用于三維膜電極內(nèi)離子擴(kuò)散的分析。
　　 三維多孔電極內(nèi)部活性表面積以及催化層厚度不僅是表征電極催化性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，也是建立電極反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)模型、進(jìn)行催化劑或反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要工程參數(shù)。本文提出了一種通過測(cè)定不同掃描速度下循環(huán)伏安曲線峰電流的間接方式來表征三維多孔(膜)電極的活性表面積的新方法。首先測(cè)定三維多孔電極在鐵氰化鉀溶液中

5、的不同掃速下的伏安特性曲線。然后在三維多孔電極上制備具有電化學(xué)控制離子分離性能的NiHCF膜，測(cè)定膜電極在堿金屬溶液(1 mol·L-1 KNO3)中不同掃速下的伏安曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：根據(jù)三維多孔電極在鐵氰化鉀溶液及過渡金屬NiHCF薄膜在KNO3溶液中的氧化還原反應(yīng)可逆特性和循環(huán)伏安特征，以及不同掃描速度下循環(huán)伏安曲線峰電流與掃速的關(guān)系可以表征三維多孔(膜)電極的活性面積，并結(jié)合計(jì)時(shí)庫侖法可獲得三維多孔膜電極內(nèi)膜的活性體積進(jìn)而可求得