整體式電紡碳納米纖維的電容去離子脫鹽研究.pdf

1、淡水資源危機作為人類未來數(shù)十年將要面對的最主要挑戰(zhàn)之一，在不可預見的氣候變化及人口爆炸式增長等情況下，現(xiàn)如今已席卷全球超過80％的人口。為了應對這一重大威脅，人們亟需新型的凈化水技術以從海水或苦咸水中獲得更多的淡水來源。作為一種高性能、低能耗、低成本的新型脫鹽技術，電容去離子技術(Capacitive Deionization，CDI)近年來贏得了相比于其他傳統(tǒng)技術更多的青睞。其基本原理是在靜電場力的引導下鹽水中的帶電離子在電極表面富集

2、形成雙電層電容的吸附過程。因此，擁有較高的比表面積、可控的孔徑分布以及較高導電性的多孔碳電極材料以其優(yōu)異的雙電層電容性能而在CDI電極材料的研究中備受關注。其中，整體式碳電極材料的裝配更為簡便，并且能夠實現(xiàn)更高的CDI性能，在未來的CDI應用中更具優(yōu)勢和價值。
　　本文旨在考察和揭示CDI性能與電極材料結構之間的核心關系，并在此基礎上設計合成具有較高吸附容量及電荷效率的新型整體式碳電極材料用于CDI技術。由較為成熟的商業(yè)活性炭電極

3、CDI吸附機理的考察與解析入手，發(fā)現(xiàn)內部擴散步驟是CDI過程最主要的速率控制步驟，并提出比表面積和介孔率是CDI電極材料性能的重要決定因素，具有充足介孔和大量微孔的層次孔結構是CDI電極材料理想的孔結構。以本文中ACk2電極為代表的高介孔率活性炭電極具有優(yōu)異的循環(huán)再生性能，在微量重金屬提質應用方面效果顯著，是CDI技術極具潛力的潛在商業(yè)化應用方向。在此基礎上，結合靜電紡絲技術設計制備了孔道結構可調的整體式碳納米纖維(Carbon nan

4、ofibers，CNFs)電極，并設計了能夠更好發(fā)揮整體式CNFs電極CDI性能的垂直流通式CDI構型。與傳統(tǒng)的平行流經式CDI構型相比其吸附容量及電荷效率分別提高了1.87倍和1.51倍。采用PVP模板法制備的高介孔率PCNF電極則體現(xiàn)出更為突出的CDI能量利用效率。針對整體式CNFs電極電荷效率較低的不足之處，又進一步將整體式的電紡CNFs電極與磺化石墨烯相結合，通過浸涂法制備了一種親水性及電化學性能優(yōu)異且自身具有陽離子選擇性的復合

5、電極SG-CNFs，實現(xiàn)了吸附容量和電荷效率高達22％的雙重提升。更為突出的是，將SG-CNFs電極作為陰極與CNFs電極組成C-SC非對稱CDI電對，其吸附容量高達9.54 mg·g-1，電荷效率可達42.5％，與以CNFs為電極的傳統(tǒng)的對稱CDI電對相比均實現(xiàn)了1.9倍的提升，同時表現(xiàn)出與常見MCDI電極相類似的多模式可操作性及優(yōu)異的長期循環(huán)運行穩(wěn)定性?；诖颂岢隽艘环N“以自身具有陽離子選擇性的電極構筑成非對稱CDI電對以替代MCD