基于靜電紡絲技術(shù)制備多孔碳納米纖維及其電容脫鹽研究.pdf

1、淡水資源對我們的日常生產(chǎn)生活至關(guān)重要，但是，污染、浪費以及淡水分布不合理等問題加劇了用水需求不斷提高與供應(yīng)不足的矛盾。海水或者苦咸水淡化為我們找到了解決問題的出路，但是目前工業(yè)化運營的淡化技術(shù)如反滲透、多級閃蒸、電滲析等存在高成本、高耗能、膜污染等技術(shù)弊端。電容去離子技術(shù)作為一種新型的電化學(xué)水處理技術(shù)，具有低成本、低耗能、環(huán)境友好等特點，是一種極具商業(yè)化應(yīng)用前景的淡化工藝。已經(jīng)證明電容脫鹽性能在很大程度上取決于電極的表面性質(zhì)，如：比表面

2、積、孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布和功能基團。電極材料是電容去離子裝置中最核心的部件，也是限制其發(fā)展的關(guān)鍵因素。靜電紡絲技術(shù)是一種制備纖維材料非常簡單有效的方法，可以制備出直徑從幾十納米到幾個微米的纖維。聚丙烯腈(PAN)具有良好的可紡性和相對較高的碳產(chǎn)量，而且經(jīng)過預(yù)氧化、炭化后可以直接獲得碳納米纖維（CNF），被廣泛選擇用于制造CNF的前驅(qū)體。然而，以純PAN靜電紡制備的碳納米纖維表面致密而光滑，比表面積較低。
　　本文選用聚甲基丙烯酸甲酯

3、（PMMA）、聚苯乙烯（PS）分別作為添加劑，通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維，在后續(xù)預(yù)氧化、炭化處理過程中添加劑分解造孔得到高比表面積、孔徑分布合理的多孔碳納米纖維，并作為自支撐電極用于電容脫鹽。研究了添加劑配比對孔結(jié)構(gòu)的影響和孔結(jié)構(gòu)對電容脫鹽性能的影響。采用ZnCl2對多孔碳納米纖維進(jìn)行改性，改變纖維表面功能基，同時進(jìn)一步提高比表面積，并研究了改性碳納米纖維的電容脫鹽性能。主要研究成果如下：
　　以PS為添加劑，與PAN混合，經(jīng)過

4、靜電紡絲得到PAN/PS納米纖維，經(jīng)高溫處理得到納米管道縱向分布型碳納米纖維。管道壁結(jié)構(gòu)致密，納米管道之間連通性差。當(dāng)PAN/PS質(zhì)量比為8:2時，碳納米纖維比表面積為39.83 m2/g，以此為電極進(jìn)行電容脫鹽，最大脫鹽量為2.8 mg/g，最大脫鹽速率為0.09 mg/g/min，這比純PAN基的碳納米纖維的比表面積（11.73 m2/g）和脫鹽量（1.8 mg/g）具有明顯改善。以PMMA為添加劑，與PAN混合，經(jīng)過靜電紡絲得到P

5、AN/PMMA納米纖維，經(jīng)高溫處理得到的碳納米纖維具有網(wǎng)狀分布的不規(guī)則介孔結(jié)構(gòu)，且富含微孔，當(dāng)PAN/PMMA質(zhì)量比為4:1時，得到的碳納米纖維孔隙率高、介孔分布均勻，比表面積達(dá)到287.66 m2/g，以此為電極進(jìn)行電容脫鹽，最大脫鹽量為5.6 mg/g，最大脫鹽速率為0.21 mg/g/min，脫鹽性能的循環(huán)穩(wěn)定性良好。與PAN/PS基的碳納米纖維相比，PAN/PMMA基的多孔碳納米纖維具有更高的比表面積，且網(wǎng)狀互通的孔結(jié)構(gòu)更有利于

6、離子的擴散和遷移，因此比PAN/PS基碳納米纖維具有更大的脫鹽量和更高的脫鹽速率。
　　采用PAN/PMMA=4:1時制備的富含介孔的CNF為材料經(jīng)ZnCl2浸漬、高溫處理、酸洗得到改性碳納米纖維（M-CNF）。該 M-CNF的微孔分布增加，比表面積得到有效提高（578.19 m2/g）。以改性的碳納米纖維（M-CNF）和未改性的碳納米纖維（U-CNF）構(gòu)成不對稱電容器（M-CNF||U-CNF）進(jìn)行電化學(xué)電容脫鹽。M-CNF的開