【摘 要】
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电容去离子(CDI)因成本低廉且高效,已成为一种极具前景的海水淡化技术。日益严峻的水资源短缺形势,使得探索先进材料对于提升CDI性能尤为重要。炭气凝胶(CA),具有比表面积大的优点,兼之成本低,是常用于研究的电极材料之一,为优化其电化学和电吸附性能,可以采取与其他材料复合的方法,以更好地满足应用需求。本文通过溶胶-凝胶法,将炭黑由NaClO氧化后,将其与间苯二酚-甲醛炭气凝胶(RF)进行复合,使得
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电容去离子(CDI)因成本低廉且高效,已成为一种极具前景的海水淡化技术。日益严峻的水资源短缺形势,使得探索先进材料对于提升CDI性能尤为重要。炭气凝胶(CA),具有比表面积大的优点,兼之成本低,是常用于研究的电极材料之一,为优化其电化学和电吸附性能,可以采取与其他材料复合的方法,以更好地满足应用需求。本文通过溶胶-凝胶法,将炭黑由NaClO氧化后,将其与间苯二酚-甲醛炭气凝胶(RF)进行复合,使得亲水炭黑均匀分散在三维网络中,以影响颗粒周围聚合物支链的形成,使材料具有分级多孔结构,缩短扩散路径有利于离子的快速传输过程。另一方面丰富孔隙结构增加了材料与电解质间的接触面积。通过对其进行电化学测试以确定最佳炭黑掺杂比例后,在此基础上进行具有不同形态的锰掺杂。最终对于电化学及电吸附脱盐方向上的性能,作出更为全面的考察。研究内容如下:1、首先利用NaClO氧化炭黑,改善亲水性能,然后将其与间苯二酚-甲醛复合,当亲水炭黑掺杂质量比为2%(RF/HCB-3)时,电化学性能表现最佳,1 m V s-1扫速下,比电容为168 F g-1,相较于纯RF,提高了约1.37倍。此外,在3 A g-1的电流密度下,经2000次循环后,比电容损失率为10.5%。对Na Cl溶液电吸附测试结果发现,在1.2 V外加电压,800 mg L-1初始浓度及20 m L min-1进料速度下,其拥有24.07 mg g-1的电吸附容量,相较于RF(18.86 mg g-1)提高了约28%。除此之外,当初始盐溶液浓度为1600 mg L-1时,RF/HCB-3最大吸附速率为1.71 mg g-1 s-1,比RF(1.42 mg g-1 s-1)提高大约20%。且循环实验证明RF/HCB-3具备良好的循环性能。2、以RF/HCB-3为基体,采取溶胶-凝胶法制备以不同形态存在锰掺杂,乙酸锰/间苯二酚-甲醛/亲水炭黑(M1/RF/HCB-n)和水钠锰矿/间苯二酚-甲醛/亲水炭黑(M2/RF/HCB-n)并进行差异比较。结构表征发现两种材料均以Mn O,呈花簇状与炭气凝胶进行复合。在扫速1 m V s-1下,M1/RF/HCB-2和M2/RF/HCB-3分别显示出278 F g-1和323 F g-1的高比电容,相较于RF/HCB-3(168 F g-1),分别提升了大约65%和92%。在3 A g-1的电流密度下,经2000次循环,比电容损失率分别为7.3%和10.6%。电吸附测试中,在1.2 V恒电压,800 mg L-1的初始Na Cl溶液浓度及20 m L min-1流速下,M1/RF/HCB-2和M2/RF/HCB-3的最终平衡电吸附容量分别为28.37 mg g-1和30.34mg g-1,与RF/HCB-3(24.07 mg g-1)电极相比,分别提升了将近18%和26%。M1/RF/HCB-2和M2/RF/HCB-3在盐溶液初始浓度为1600 mg L-1时分别表现出1.93 mg g-1 s-1和2.12 mg g-1 s-1的最高吸附速率,这相较于RF/HCB-3电极(1.71 mg g-1 s-1)分别提高了约13%和24%。最后,由10次循环吸脱附结果证明M1/RF/HCB-2和M2/RF/HCB-3均具有优异的循环稳定性。
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