[發明專利]一種基于金屬有機骨架材料的多孔碳電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201410749904.4
• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN105731609B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 常立民;段小月;劉偉;張興晶;周瑩;趙媛媛;李佳潤
• 申請（專利權）人: 吉林師范大學
• 主分類號: C25B11/03
• 分類號: C25B11/03
• 代理公司: 吉林省長春市新時代專利商標代理有限公司22204
• 代理人: 石岱

技術領域

本發明涉及一種基于金屬有機骨架材料的新型多孔碳電極及其制備方法，該電極主要用于電容去離子除鹽過程，屬于水處理技術的應用領域，特別屬于咸水脫鹽技術領域。

背景技術

在經濟不斷持續高速發展的同時，我國面臨著淡水資源嚴重短缺的局面。為了滿足對純凈水的需求，人們開始對咸水進行淡化處理。傳統的可用于咸水淡化的除鹽方法主要有蒸餾、離子交換、電滲析、反滲透等。但這些傳統的方法都有其各自的缺點，蒸餾需要長時間加熱，能耗高；離子交換樹脂再生時需要大量強酸和強堿，容易產生二次污染；電滲析和反滲透的滲透膜昂貴，成本高。

電吸附技術 （EST，Electro-Sorption Technology），又稱電容去離子 （CDI，Capacitive Deionization），是利用帶電電極表面吸附水中帶有相反電荷的離子，并將其束縛在電極表面形成的雙電層中，從而實現水凈化/淡化的一種新型水處理技術。當電極吸附達到飽和后，除去外加電場或將電極反接，吸附的離子將被釋放到溶液中，電極得到再生，再生后的電極可重新投入使用。CDI過程中不需任何化學藥劑，再生所排放的濃鹽水來自原水，系統本身不產生新的排放物，避免了二次污染問題。因此，與傳統除鹽技術相比，該技術不僅省去了濃酸、濃堿的運輸、貯存和操作上的麻煩，而且能耗低，投資小，無二次污染，是一種既經濟，又有效的除鹽技術。

電極材料是影響CDI除鹽效果的最重要因素，必須擁有足夠大的表面積和良好的導電性，因此CDI所采用的電極材料往往是具有高比表面積的碳材料，如活性碳、活性碳纖維、碳納米管、碳氣凝膠等。但將金屬有機骨架材料碳化制備多孔碳，作為CDI電極材料尚無文獻報道。

金屬有機骨架（Metal Organic Frameworks）材料具有無機和有機功能材料的綜合特性，煅燒后可獲得新型多孔的碳材料，具有比表面積大、電阻低、制備工藝簡單等顯著優點，可作為優異的CDI電極材料使用。因此，本發明制備了基于新型金屬有機骨架材料MOF-66,及金屬有機骨架材料MOF-5、ZIF-8的多孔碳，并分別制備成成型多孔碳電極，研究該類電極電容去離子除鹽性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于金屬有機骨架材料的多孔碳電極及其制備方法，并將這種新型多孔碳電極應用于電容去離子除鹽領域，采用該材料制得的多孔碳電極比表面積大，親水性好，在電容去離子過程中除鹽率高，再生性能優良。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：該多孔碳電極是合成采用金屬有機骨架材料在真空狀態下高溫煅燒獲得多孔碳，再將多孔碳與粘結劑混合，平鋪在石墨紙上，干燥，最后將粘結劑碳化，制備成多孔碳電極。

所述的金屬有機骨架材料是新型MOF材料[Cd(OTADDB)·C₂H₅OH·2DMF·H₂O]_n(OTADDB=3,3′-[(6-oxbydrl-1,3,5-triazine-2,4-diyl)diimino]dibenzoic acid)（本專利稱該新型MOF材料為MOF-66）。

該方法包括以下步驟：

（1）、新型MOF材料MOF-66的制備：①將1.08g 5-氨基間苯二甲酸加入到20mL純水中，磁力攪拌至完全溶解，再向溶液中緩慢加入0.36g NaOH和0.552g NaHCO₃，繼續磁力攪拌至NaOH和NaHCO₃完全溶解獲得溶液A；②將0.6g三聚氯氰加入到5.0mL 1,4-二氧六環中，磁力攪拌至完全溶解獲得溶液B；③在室溫條件下，將溶液B逐滴加到溶液A中，磁力攪拌12h，用質量濃度為20%的HCl調節溶液的pH值至3，抽濾，獲得配體L；④將0.024g Cd（NO₃）₂和0.018g 配體L加入到4mL N,N-二甲基甲酰胺中，滴加1mL 2mol/L的HNO₃，溶解并搖勻，將上述溶液置于玻璃瓶中，密封，置于烘箱中85℃下反應3天，自然冷卻至室溫后取出，抽濾，獲得淺黃色晶體，再用N,N-二甲基甲酰胺洗滌、抽濾該淺黃色晶體，反復兩次，將濾后淺黃色晶體放入烘箱中，50℃下干燥1h，得到新型MOF材料MOF-66。

（2）、利用新型MOF材料MOF-66制備多孔碳：

將（1）中制得的新型MOF材料MOF-66置于真空馬弗爐中，真空狀態下，于900℃煅燒2h，自然冷卻至室溫后取出，獲得基于新型MOF材料MOF-66的多孔碳。