010-82930964 
编号：NMJS09605
篇名：结构可控介孔碳纳米球电极的制备及电容去离子性能研究
作者：孙嘉鸿
关键词： 电容去离子; 纳米碳电极; 结构工程; 中空结构; Cd2+去除;
机构： 吉林大学
摘要： 在全球城市化与工业化进程加速的背景下,工业废水排放、采矿活动及农业径流等人为原因导致的水体重金属污染问题已引发全球性的密切关注。在现有诸多重金属修复技术中,电容去离子技术（Capacitive Deionization,简称CDI）因其能耗低、无化学药剂添加、电吸附效率快等优势备受关注。该技术基于电化学双电层理论,通过施加偏压驱动带电污染物在电极界面发生可逆吸附/脱附,展现出显著的技术竞争力。在CDI碳电极材料的研究中,受碳电极材料内部区域扩散能垒增大的影响,多数研究聚焦于碳材料的表面官能化,这种化学修饰方法仅增加材料外部区域的吸附容量,忽略了材料深层内部的容量贡献的研究。针对碳电极材料内部区域有效利用的问题,本文利用结构工程学,设计并构建中空结构介孔碳电极材料,解决传统碳电极在实际电极板制备过程中的高体积质量比问题,有效利用碳材料内部的“死体积”,并对构建的碳电极材料的组成结构、电化学性能以及电容去离子性能及机制进行研究,具体的研究成果如下: （1）以3-氨基苯酚和甲醛为前驱体,在碱性环境中合成酚醛树脂球,经惰性环境热解制备空心结构介孔纳米碳球（MHCN）电极材料。测试结果显示,MHCN电极材料表现出明显的中空结构,拥有更小的电子传输阻抗和更大的比电容。将MHCN电极材料应用于CDI系统,在1.2V,p H5运行条件下,对50 mg/L的Cd2+溶液电吸附容量达到171.85mg/g。MHCN电极表面富含的含氮官能团可以增强电极表面对Cd2+的化学亲和力,使得Cd2+优先吸附在内亥姆霍兹平面上。同时,电极材料界面电子转移电阻的减小,促进了Cd2+向中空结构碳材料内部的迁移,有效提高碳材料对Cd2+电吸附容量。 （2）以空心树脂球为种子单元,采用外延生长刻蚀法构建双层中空结构DMHCN电极材料。测试结果表明,成功构建了双层结构碳电极材料,双层中空结构并没有明显改变碳材料的基本化学组成和电子组成。DMHCN电极材料拥有更大的比表面积和更多活性吸附位点,材料导电性能和比电容较MHCN有明显提升。MHCN电极材料在1.2V,p H5运行条件下,对50 mg/L的Cd2+溶液电吸附容量达到208.3mg/g,去除效率达到100%。这与DMHCN电极材料具有更强的Cd2+化学亲和力和更低的界面电子转移电阻有关,为电容去离子碳电极材料的研究提供了新思路。
