三維多孔膜電極電控離子分離過程離子傳荷-反應特性.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過程的主要推動力是電極電位，離子交換基體無需再生，消除了由化學再生過程產生的二次污染物。
　　 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。三維膜電極系統(tǒng)的ECIS是伴隨液相離子的擴散傳遞與膜電極反應同時進行的復雜電荷傳遞-反應過程，多孔電極內部的離子擴散特性對該新型膜電極反應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)基體具有結構簡單、便于施加外部電壓和易于放大的特點。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溶液中測定其循環(huán)伏安(CV)曲線。重點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。研究結果表明，由于三維MRGC膜電極系統(tǒng)內部離子擴散影響，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離子擴散阻力降低，導致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電極內離子擴散阻力增加使Δep也

4、隨之增加；隨著掃描速度的增加內擴散的影響加劇導致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離子擴散的分析。
　　 三維多孔電極內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構參數，也是建立電極反應宏觀動力學模型、進行催化劑或反應器設計的重要工程參數。本文提出了一種通過測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控制離子分離性能的NiHCF膜，測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。實驗結果表明：根據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系可以表征三維多孔(膜)電極的活性面積，并結合計時庫侖法可獲得三維多孔膜電極內膜的活性體積進而可求得