[發明專利]一種利用塊狀泡沫結構螯合物合成多級孔碳電吸附電極材料的方法及應用

有效

• 申請號: 201710233509.4
• 申請日: 2017-04-11
• 公開（公告）號: CN107176655B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 常錚;韓標;張國新;孫曉明
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C02F1/469
• 分類號: C02F1/469;C02F101/12;C02F101/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種利用塊狀泡沫結構螯合物合成多級孔碳電吸附電極材料的方法及應用，屬于電吸附及其電極材料制備技術領域。通過將檸檬酸和硝酸鎂的澄清溶液混合后在高溫條件下烘干，形成一種塊狀泡沫結構螯合物。此螯合物再與無機堿按某一比例混合研磨均勻后，通過高溫焙燒制備得到可用于電吸附電極材料的多級孔碳材料。制備方法簡單、易操作，適合實驗室研究以及工業生產。

技術領域

本發明屬于電吸附及其電極材料制備技術領域，具體涉及一種利用塊狀泡沫結構螯合物合成多級孔碳電吸附電極材料的方法。

背景技術

進入二十一世紀以來，水資源緊缺的狀況愈加嚴重，許多國家將目光聚集在海水除鹽淡化上。目前使用廣泛的除鹽方法包括：壓力-膜法除鹽，如反滲透(RO)以及納濾法(NF)等；電-膜法除鹽，如電滲析(ED)，連續電去離子器(CDI)以及填充床電滲析(EDI)等；熱力法除鹽，如豎管多效蒸餾(MED)，蒸餾法，機械蒸汽壓縮蒸餾(MVC)以及多級閃急蒸餾(MSF)等；化學除鹽法如藥劑沉淀法以及離子交換法等。然而，這些方法都各自存在不足之處，蒸餾技術能耗大，離子交換技術會產生二次污染，電滲析和反滲透技術的膜成本高而且不易再生。電容去離子技術(capacitive deionization，CDI)，又稱為電吸附技術，是近年發展起來的一種新型、高效率、低能耗、無二次污染的水處理技術，它已經吸引了國內外研究者的廣泛關注，其應用領域涉及工業廢水處理、工業除鹽處理、苦咸水淡化、海水淡化等多個方面。電吸附利用了電化學雙電層充電原理，即利用電場作用，驅動水中陰、陽離子或其他帶電粒子分別向帶相反電荷的電極表面遷移，形成雙電層，離子在電極表面富集濃縮。將電極短路或反接后，吸附的帶電粒子就會從電極表面脫附下來，從而實現電極的再生。(參見文獻：Rsc Advances,2016,6(7):5817-5823；Electrochimica Acta,2015,188(1-2):406-413.)電吸附技術應用于水處理的前景十分誘人，被認為是除鹽領域最有前途的技術之一。

目前，電吸附除鹽技術所用的電極材料多為活性炭、活性炭纖維、碳氣凝膠、納米碳管等，而傳統碳材料電極因為比表面積不夠高、孔徑分布不均勻或是電容較小的問題，因此除鹽效率低，并且價格昂貴，制備工藝復雜，都不是很理想的電極材料。近來，具備多級孔分布的碳材料電極因其具有優秀的電吸附性能獲得了大量的關注。多級孔碳材料因具有大的比表面積和多尺度孔結構，從而在離子吸附過程中提供更多的可供吸附的活性位點。同時，多級孔結構也可以提高離子傳輸速率，其中大孔作為離子接收池可以縮短離子的傳輸距離，中孔不僅提供了大量的離子吸附比表面積，還降低了離子在整個材料中傳輸的電阻。目前已有多個關于多級孔碳材料電極合成和應用的報道。J.Mater.Chem.A,2015,3,12730–12737中我們以EDTA為碳源，與無機堿共同熱處理合成的多孔碳材料，在40mg/L的NaCl溶液中，電吸附容量為34.27mg/g。Electrochimica Acta 193(2016)88–95中Pan等制備的3D石墨烯框架結構的多微孔碳球，在電吸附處理100mg/L的NaCl溶液時，電吸附容量為9.8mg/g。

本研究是探索一種利用塊狀泡沫結構螯合物作為前驅體，合成多級孔碳電吸附電極材料的方法。

發明內容

本發明涉及一種利用塊狀泡沫結構螯合物合成多級孔碳電吸附電極材料的方法，該材料是使用檸檬酸為碳源，用檸檬酸和硝酸鎂制備出塊狀泡沫結構螯合物前驅物，隨后用無機堿進行擴孔合成具有大比表面積，孔徑分布均勻，并且具有高電容的新型多孔級碳材料，將其應用于電吸附技術具有顯著效果。