[發(fā)明專利]三維鐵氰化銅復(fù)合聚吡咯/聚乙烯醇導(dǎo)電水凝膠材料制備方法及應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2020-05-24
• 公開（公告）號: CN111729623B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬杰;王英;曹江林;王雷
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學(xué)
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;C02F1/469
• 代理公司: 上海科律專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

本申請利用液氮冷凍解凍法制備了一種三維鐵氰化銅復(fù)合聚吡咯/聚乙烯醇導(dǎo)電水凝膠材料制備方法及應(yīng)用，能夠有效提高電池行為鈉離子嵌脫式電極材料的長循環(huán)穩(wěn)定性及材料利用率。結(jié)果表明，CuHCF@PVA/PPy中的PPy能夠有效提高CuHCF顆粒的導(dǎo)電性同時為CuHCF顆粒生長提供位點從而限制顆粒大小，提高材料的利用率；此外，復(fù)合水凝膠的三維多級孔道網(wǎng)絡(luò)能夠有效緩解CuHCF顆粒堆疊且加快電解質(zhì)的快速傳輸；并且合成的材料具有優(yōu)異的機械性能，可以有效緩解材料在充放電過程中顆粒間生成的應(yīng)力并且抵抗水流對電極材料的沖刷、破壞，增強材料的長循環(huán)穩(wěn)定性。脫鹽測試表明，隨著截止電壓范圍的增加，CuHCF@PVA/PPy材料的脫鹽容量、脫鹽速率及脫鹽能耗均呈遞增趨勢。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三維鐵氰化銅復(fù)合聚吡咯/聚乙烯醇導(dǎo)電水凝膠材料的制備及其在雜化電容去離子技術(shù)中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

著人口和經(jīng)濟增長，人均耗水量及需求量不斷上升。且由于氣候變化和污染造成的供水減少，水危機日益嚴(yán)重。此外，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明、湖泊、河流和蓄水層中捕獲的“常規(guī)”水源(例如降雨、融雪和河流徑流)已不足以滿足缺水地區(qū)人類的需求。如，全球40％的人口面臨嚴(yán)重的水資源短缺，到2025年該比例將上升到60％。目前全球有66％的人口(40億)每年至少有一個月的時間生活在嚴(yán)重缺水的狀況下。

缺水國家對水資源計劃和管理進行了重新思考，并開發(fā)諸多創(chuàng)造性的可適應(yīng)氣候變化和可持續(xù)發(fā)展的措施。然而，盡管些許方法，如節(jié)水和提高效率等，可以在某種程度上縮小水的需求和供應(yīng)缺口，但這些方法必須與增加供水策略相結(jié)合，以長期應(yīng)對并解決水資源短缺的問題。在增加供水的選擇中，海水和苦咸水的脫鹽受到了最廣泛的關(guān)注，并且越來越被認(rèn)為是滿足家庭和市政需求的可行選擇。因為海水脫鹽可以使水供應(yīng)超出水文循環(huán)所能提供的用量，從而提供“無限”、不受氣候影響和穩(wěn)定的高質(zhì)量水供應(yīng)。脫鹽技術(shù)是從鹽水中去除鹽分以生產(chǎn)出滿足人類不同用途水的過程。

針對飲用水資源短缺的問題，目前最常用的方法是將不可直接引用的苦咸水或海水進行凈化，從而緩解淡水資源緊缺的危機。其中雜化電容去離子技術(shù)因其能耗低、操作簡單、無二次污染等優(yōu)勢得到廣泛關(guān)注。

雜化電容去離子技術(shù)(HCDI)是指在電極兩端加外部電壓，使陰陽離子在靜電場的作用下向帶相反電性的電極移動，其中鈉離子通過法拉第反應(yīng)被嵌入在鈉離子嵌脫式負(fù)極材料上，氯離子形成簡單的雙電層吸附在材料表面，從而達到海水或苦咸水脫鹽的目的。可通過反接電源實現(xiàn)材料的再生利用。

其中普魯士藍類似物(Prussian blue analogs(PBAs))鈉離子嵌脫式電極材料具有高脫鹽容量、高去除速率、低能耗的優(yōu)勢，其開放的晶體結(jié)構(gòu)，較大的離子傳輸通道使得其在CDI應(yīng)用上也有廣闊的前景。但是，PBAs在CDI應(yīng)用中穩(wěn)定性較差。首先，PBAs晶體結(jié)構(gòu)中的Fe-CN-M在反應(yīng)中易被破壞，這是因為在鈉離子嵌脫過程中，存在著的大量Fe(CN)₆缺陷造成的^[98,99]；此外，PBAs的一般制備方法為簡單化學(xué)沉淀法，該方法制得的納米顆粒易堆疊在一起，使得鈉離子傳輸距離變長，從而造成吸附速率低的問題；并且，在CDI脫鹽過程中，由粘結(jié)劑制得的電極材料難以抵抗水流沖刷，使得材料脫落，不僅造成材料破壞，而且脫落的材料極易進入脫鹽水中，從而造成水質(zhì)污染。因此，急需一種新型的電極材料可以提高材料的宏觀和微觀穩(wěn)定性，并提高材料脫鹽性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的第一個目的是提供上述鐵氰化銅復(fù)合聚吡咯/聚乙烯醇(CuHCF@PVA/PPy)的三維水凝膠的制備方法。

本發(fā)明的另一目的為了解決鐵氰化銅材料(銅基普魯士藍類似物)在宏觀和微觀條件下長循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，提供了一種聚吡咯/聚乙烯醇包覆的三維導(dǎo)電水凝膠材料。一種能夠有效提高電池行為鈉離子嵌脫式電極材料的長循環(huán)穩(wěn)定性及材料利用率的材料。