[發明專利]一種柔性多孔碳納米纖維膜電極及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202310605389.1
• 申請日: 2023-05-26
• 公開（公告）號: CN116462285A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 乜廣弟;王健;馬翔;朱兆媛
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: C02F1/469
• 分類號: C02F1/469;C02F1/461;C02F103/08
• 代理公司: 青島博川宇知識產權代理事務所(普通合伙) 37373
• 代理人: 劉成濤

本發明涉及海水淡化材料技術領域，尤其是一種柔性多孔碳納米纖維膜電極及其制備方法和應用,以聚丙烯腈以及用于作為致孔劑的非金屬氧化物為前驅體，通過靜電紡絲、碳化和堿溶液蝕刻過程，得到具有分級多孔結構的柔性多孔碳納米纖維膜電極，聚丙烯腈與非金屬氧化物的質量比3：1?10：1,其是一種簡單可控、便于推廣的制備柔性多孔碳納米纖維膜電極的方法,所制備的自支撐多孔碳納米纖維材料機械性能好，能夠進行自由彎曲和裁剪；同時，具有豐富的微孔和介孔，這種分級多孔結構具有較高的比表面積，進而使電極材料的脫鹽性能得到明顯提高。

技術領域

本發明涉及海水淡化材料技術領域，尤其是一種柔性多孔碳納米纖維膜電極及其制備方法和應用。

背景技術

現如今，隨著全球經濟的不斷發展和人口的快速增長，大量城市污水、工業廢水的二次利用所帶來的環境污染已經造成了全球超過7.5億人口沒有清潔的飲用水，預計到2025年全球將有18億人處于淡水缺乏的狀態。此外，全球總水量的98％是海水和苦咸水，因此，將儲量豐富的海水轉化為可用的淡水被認為是解決淡水資源短缺問題的一種有效途徑。為了從海水或污水中獲取淡水，人們開發了多種脫鹽技術，包括電滲析、多級閃蒸、離子交換和反滲透等。然而，由于效率低、能耗高、成本高、二次污染等瓶頸，這些傳統方法的實際應用受到嚴重限制。

隨著越來越多的人意識到全球淡水資源短缺的問題，電容去離子(CDI)作為一種新型的脫鹽技術，因具有成本低、效率高、操作簡單、無二次污染等優點而受到研究者的青睞。在一個CDI電池中，進料溶液中的鹽離子可在施加電壓的情況下儲存在兩個多孔碳電極的雙電層中。當吸附過程達到平衡時，可以通過去除電壓或者施加反向電壓，將鹽離子釋放回進料溶液中，從而實現CDI電極的再生，所以CDI的作用機制主要取決于電極材料孔壁和鹽溶液之間形成的雙電層(EDLC)，在這種CDI電池中，電極材料起著至關重要的作用，電極材料作為CDI技術的核心，其性能從根本上決定了CDI電池的海水淡化能力。EDLC理論認為具有大比表面積和高導電性的電極材料更有利于CDI系統，例如活性炭、碳氣凝膠、石墨烯及其復合材料。盡管上述碳質電極的總體能耗低，但這些電極材料具有較低的鹽吸附容量和在高鹽水中的不適用性。

CN113772791A提到了一種自支撐多孔碳纖維材料的制備方法，首先，通過靜電紡絲，得到含SnCl₂的前體纖維，隨后，通過預氧化、碳化、還原過程，得到多孔Sn-碳納米纖維復合材料，最后，通過酸處理去除纖維中的金屬Sn，增大了碳纖維材料的比表面積，提高了電極的比電容，作為CDI電極材料，該多孔碳纖維材料能夠很好的吸附廢水中的重金屬離子。詳細步驟：

步驟1：向聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中添加SnCl₂得到前體溶液。(聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺和SnCl₂的質量體積比為0.8～1.0g：0.2～0.4g：9～11mL：0.8～1.0g)。將聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺和SnCl₂的混合溶液轉移到針頭為導電金屬材質的注射器中，針頭與高壓電源相連，針頭尖端施加18～21千伏的恒定電壓，推料速率為0.04±0.005ml/h，不銹鋼針頭尖端和收集器之間的距離為15～18cm，在濕度70±5％，溫度25±5℃條件下進行靜電紡絲，得到初始納米纖維膜。

步驟2：將所述初始納米纖維膜依次進行預氧化(在空氣中220～250℃預氧化2h～5h)、碳化(在純度不小于99.9％的氮氣氣流下以2～5℃/min的升溫速率從室溫升溫至800～1000℃碳化2～4h)、還原處理(在氬-氫混合氣體下、550～650℃還原8～10h；所述氬-氫混合氣體體積比Ar₂:H₂＝(90-95)：(5-10))得到多孔Sn-碳納米纖維復合材料(多孔Sn-CNF復合材料)。

步驟3：將所述多孔Sn-碳納米纖維復合材料在酸溶液(由體積分數為40％HF與體積分數為65～68％HNO₃按體積比1:1混合得到)中進行酸處理8～12h得到所述自支撐多孔碳纖維材料。