ZIF-8衍生多孔碳材料的制备及其电容去离子性能研究

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低碳可持续发展的社会需求下,电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)作为一种新型脱盐技术,凭借其低能耗、无污染、环境友好的特点,近年来于社会广受关注。作为CDI系统中的核心部分,电极材料的研发设计推动着CDI技术的发展。其中,以ZIF-8为前驱体制备的多孔碳电极材料,因其大比表面积,高氮含量,合成简便等特点,已被应用并显示出较好的脱盐性能。然而,ZIF-8衍生多孔碳的孔结构往往以微孔为主,因而增加了离子/电子在材料内部的扩散距离和传质阻力。此外,ZIF-8衍生多孔碳结构以无定形碳为主,缺乏sp2碳原子杂化的石墨化碳,故在电子转移能力和导电性上也略有不足。本文针对常见ZIF-8衍生多孔碳材料传质慢、导电性差、电吸附容量较低的技术难题,以提升材料吸附容量和速率为出发点,从材料的结构与组成调控入手,设计并探究新型高效ZIF-8衍生多孔碳材料的CDI性能。具体的研究内容及结果如下:(1)通过化学刻蚀法,从前驱体ZIF-8入手,制备中空纳米晶体HZIF-8并最终碳化得到ZIF-8衍生中空多孔碳HZCs。制备的HZCs具有较大的比表面积(642.7 m2 g-1)、高氮含量(8.7%)、丰富的介孔及明显的中空结构。该结构有利于电解质在孔道中的扩散并降低了材料的传质阻力。在5 mV s-1的扫描速率下其比电容值达到了214.7 F g-1。CDI应用测试中,相对于对照组SZCs,HZCs电极表现出优异的CDI脱盐性能,吸附容量和速率均明显提升。1.2 V下,在浓度为500 mg L-1的NaCl溶液中,HZCs电极的电吸附容量达到15.31mg g-1。经过20个电吸附-脱附循环,其电吸附容量仍然能够达到初始值的97.15%,证明制备的HZCs电极材料具有良好的CDI再生性能。(2)在ZIF-8前驱体中添加铁源,依靠高温热解下铁的催化石墨化作用,制备出ZIF-8衍生石墨化多孔碳Z-Fe-C-X(X=7、8、9、10),增强材料的导电性。制备的Z-Fe-C-X具有良好的的石墨化结构,一定的介孔分布和较大的比表面积(609.2722.6 m2 g-1)。其中Z-Fe-C-9在石墨化、氮含量、比表面积等条件的综合作用下,表现出更佳的电化学性能。50 mV s-1扫描速率下,其比电容值为161.3 F g-1。CDI应用测试结果表明,相对SZCs电极,Z-Fe-C-9电极脱盐性能得到提升:1.2 V下,500 mg L-1的NaCl溶液中,电吸附容量为10.88mg g-1。CDI电极再生实验中,10个电吸附-脱附循环后,Z-Fe-C-9电极的电吸附容量并无明显衰减,表现了电极材料较好的再生稳定性。(3)hCDI(hybrid CDI)是一种结合了电容式电极(多孔碳材料)和电池型电极(活性材料)的新型CDI构架。利用化学还原法在HZIF-8上负载纳米Ag颗粒,并最终碳化得到Ag/ZCs复合材料。制备的Ag/ZCs极大程度保留了HZCs的多孔性和介孔结构。CDI应用测试中,hCDI下的Ag/ZCs电极相对于实验对照组,其脱盐性能显著提升。1.2 V电压下,在初始浓度为100 mg L-1的NaCl溶液中达到了19.81 mg g-1的电吸附容量。采用“连续流”评价其再生稳定性,经过5个循环,电极仍保持了较好的再生性。
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