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科技前沿

多孔碳纤维电容去离子性能优异 作为海水淡化电极材料潜力巨大
来源:科技报告与资讯  2020-04-29 13:18:43
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-9391.html       电容性去离子(CDI)在能量上有利于水的去离子化,但现有的方法由于离子可接近的表面不足和电子/离子传输速度缓慢,其去离子能力和耗时周期受到限制。在《Science Advances》上的一篇新报告中,Tianyu Liu和美国弗吉尼亚理工大学化学系、土木与环境工程系和纳米科学系的研究团队展示了多孔碳纤维(PCF)这种有效的CDI材料。他们从微相分离的聚甲基丙烯酸甲酯-块状聚丙烯腈(PMMA-b-PAN)中提取了多孔碳纤维。所得到的多孔碳纤维保持了丰富而均匀的中孔、微孔相互连接的层次化多孔结构,具有较大的离子可接近表面积和较高的脱盐能力。连续的碳纤维和相互连接的多孔网络允许快速的电子/离子传输,以保持较高的脱盐率。该工作强调了共聚物基PCF在高容量、高速率CDI方面的前景。


       淡水的日益枯竭和分布不均给技术和社会经济发展带来了严峻的挑战。海水淡化是解决淡水短缺问题的一种有前景的方法。反渗透和热蒸馏是处理高盐浓度的海水或咸水广泛采用的技术,但这种方法在盐浓度较低的情况下能耗高且成本高。作为一种替代方法,CDI可以通过电吸附或伪电容反应去除离子,使低盐浓度的水脱盐。

       材料科学家们使用多孔碳作为CDI的主要电极材料,因为其具有导电率高、比表面积大、可定制的结构和优良的稳定性。例如活性炭、石墨烯气凝胶和从生物质中提取的大孔碳。然而,这类材料的脱盐能力和脱盐率仍有待提高。基于微孔和大孔材料的有限性能,Liu等人假设碳纤维由于相互关联的分层结构,将能够实现高脱盐率。在这项工作中,该团队展示了多孔碳纤维这一电容去离子的优越电极材料。这里的技术创新有赖于碳电极前体在分子水平上的设计。Liu等人通过电纺、氧化、稳定化和热解等方法,使用嵌段共聚物来制备多孔碳纤维。所得材料的有效海水淡化表面积大、结构丰富均匀、电子传输快、离子扩散快,提高了海水淡化能力。

       为了设计用于CDI的材料,该团队研究了三种碳材料,包括具有大离子可接触表面积的块状共聚物基多孔碳纤维。该团队还测试了工业PAN基碳纤维和活性炭。纤维状碳和相互连接的介孔允许电子和离子的连续有效运输,同时降低了细胞内脱盐的内阻,提高了脱盐率。相比之下,其他材料对离子的电吸附表面积有限,脱盐率下降。然后,研究小组将这三种材料——多孔碳纤维、PAN基碳纤维和活性炭粘附在镀锡铜带上,并将其作为CDI细胞的电极。通过扫描电子显微镜(SEM)观察发现,这三种材料有明显的外观区别。根据初步结果,他们预计多孔碳纤维表现出最高的脱盐率。


       科学家们接下来进行了一系列实验,考查三种材料的化学和电学特性。同时,在没有任何导电添加剂的情况下,根据电化学阻抗光谱和四点探针测量,多孔碳纤维和PAN基碳纤维具有很高的导电性。基于分层多孔结构、有效表面积、高导电性和低扩散电阻等多重特性,课题组认为多孔碳纤维将成为CDI的优秀电极材料。

      他们用两个对称电极对两种水源进行脱盐,包括用氯化钠(NaCl)的人工咸水和用锥形池中的氯化钠合成自来水,证明了多氯联苯的去离子能力。他们用离子色谱法测定了自来水中NaCl的浓度,发现自来水中NaCl的浓度在5次去离子循环后已降至超低水平。Liu等人进一步量化了多孔碳纤维的脱盐能力和脱盐率,在2个多孔碳纤维电极上施加1.0 V的偏置电压进行单循环去离子,观察到盐浓度从501.2 mg/L下降到477.5 mg/L。相比之下,含有PAN基碳纤维和活性炭的CDI电池在相同的偏压下仅显示出盐浓度略有下降。在淡化一定浓度的NaCl人工咸水时,多孔碳纤维的脱盐能力优于其他碳CDI电极,最大脱盐率达到38 mg·g-1·min-1,比碳纳米管、石墨烯、PAN基碳纤维和其他三维多孔碳的脱盐速度快约40倍。

       多孔碳纤维的能耗也很低,而且这种多功能材料可以去除水中其他常见的阳离子,包括钾离子(K+)、镁离子(Mg2+)和钙离子(Ca2+)。由于CDI电池的双电层,化学反应并没有改变多孔碳纤维的表面状态,其表面在反复的电荷放电循环后,不会出现降解或大量流失的迹象,从而保持了脱盐能力。研究者强调,基于块状共聚物的多孔碳纤维是一种高性能的CDI电极材料,同时保持了超高的脱盐能力,超过了其它最先进的碳材料。Liu等人将超快的脱盐速率和高脱盐能力归功于多孔碳纤维的结构、物理和电学特性的结合。未来,Liu还将研究多孔碳纤维的性能对海水淡化效果的影响。他们预计材料的表面特性和电容去离子化之间存在正相关关系。研究人员提出了更多的工程设计策略,利用多孔碳纤维设计出高效的连续脱盐池,进一步提高脱盐能力和脱盐率。 文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-9391.html