一种C@Bi/rGO电吸附复合活性材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于废水处理领域，具体公开了一种C@Bi/rGO电吸附复合活性材料，包括还原氧化石墨烯以及原位复合在还原氧化石墨烯表面的碳包覆铋单质颗粒。本发明专利技术还公开了所述的复合活性材料的制备和应用。此外，本发明专利技术还包含复合有所述的C@Bi/rGO的电极、该电极的制备和在卤水中的应用。本发明专利技术所述的复合活性材料可以有效解决材料的稳定性差、可逆性差等问题，还可以有效提升该电吸附复合活性材料在卤素电吸附中表现出对于卤素的优异的高吸附容量以及优异的循环稳定性和再生稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种C@Bi/rGO电吸附复合活性材料及其制备和应用
：本专利技术属于废水处理领域，具体涉及一种铋基电吸附材料制备及卤素废水处理应用。
技术介绍
：卤水或者含卤废水中卤素离子很难被生化处理，高浓度含卤素溶液如不加治理直接排入江河，会破坏水体的自然生态平衡，使水质恶化，对淡水资源造成严重破坏，甚至会污染地下水和饮用水水源以及在工业生产中会严重腐蚀工业设备。因此研究卤素离子的去除技术对生态和环境保护以及安全生产都具有重要意义。目前，离子交换、膜处理及蒸发结晶等技术是溶液脱盐的主要方法。其中离子交换等仍然主要停留在实验室或小规模应用阶段，而常规膜处理、蒸发结晶等主流工艺一般脱盐能耗高，而且得到未纯化的混合结晶盐附加值极低，难以利用，不仅增大了环保负担，而且造成了资源浪费。近年，电容去离子及电化学吸附技术(CDI&EDI)在海水脱盐等领域成为研究热点，其具有成本低、操作简便、无二次污染等优势。当前，国内外CDI过程研究主要集中于新型电极材料的开发，以及探究材料结构对溶液中离子吸附性能的影响，以期改善除盐效率。研究表明，CDI电极材料应具备以下性能：较高的吸附容量、对特定离子良好的选择性、以及可逆循环性能等。已经开发出的金属氧化物材料、导电聚合物材料及碳材料等多类电极，然而，但现有技术中公开的电极材料例如传统碳电极材料，其吸附量一般<15mg/g，更重要的是，吸附过程易受硫酸根等阴离子干扰，选择性差，极大地限制了CDI脱氯技术产业化应用，尤其是难以适应钢铁及冶金工业等含氯离子废水的处理要求。
技术实现思路
：针对上述问题，本专利技术第一目的在于，提供一种C@Bi/rGO电吸附复合活性材料(本专利技术也简称为复合材料或者复合活性材料)，旨在提供一种具有良好的卤素特异电吸附性能，且具有优异再生循环稳定性的电吸附活性材料。本专利技术第二目的在于，提供所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料的制备方法。本专利技术第三目的在于，提供所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料的应用。本专利技术第四目的在于，提供一种卤素电吸附的复合铋电极，旨在提供一种具有良好的卤素特异电吸附性能，且具有优异再生循环稳定性的复合铋电极。本专利技术第五目的在于，提供所述的卤素电吸附的复合铋电极的制备方法。本专利技术第六目的在于，提供所述的卤素电吸附电极的应用。现有铋电极存在不可忽视的缺陷，例如体积易膨胀、稳定性差、循环使用寿命短，吸附量以及吸附选择性不理想，且难于再生利用等。为解决该类技术问题，本专利技术提供了一种C@Bi/rGO电吸附复合活性材料，包括还原氧化石墨烯以及原位复合在还原氧化石墨烯表面的碳包覆铋单质颗粒。本专利技术提供了一种全新形貌的材料，其包含碳包覆的铋单质颗粒，且该碳包覆的颗粒原位复合在还原氧化石墨烯的表面。研究发现，该特殊碳包覆以及原位复合还原石墨烯的原位双碳结构可以有效解决材料的稳定性差、体积易膨胀等问题，可以有效提升该电吸附复合活性材料在卤素电吸附中卤素选择性、稳定性，提升吸附量和卤素的特异吸附性能，还能够出人意料地赋予材料优异的循环稳定性和再生稳定性。本专利技术所述的电吸附复合活性材料，所述的原位双碳结构特性是赋予材料优异卤素吸附性、选择性和再生稳定性等电吸附效果的关键。作为优选，所述的C@Bi/rGO复合材料，具有六边形、类六边形形貌。本专利技术研究发现，所述的复合活性材料具有原位双碳六边形或类六边形的结构，该特殊六边形、类六边形形貌配合所述的双碳原位复合结构，有助于进一步提升复合材料在卤素电吸附中的选择性、吸附量和循环稳定性，赋予所述材料良好的解吸性能。研究发现，本专利技术所述的C@Bi/rGO复合材料为纳米材料。作为优选，所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料的颗粒粒径为20～50nm。作为优选，C@Bi/rGO电吸附复合活性材料中，所述的铋单质的含量为83.5％～96.2％。余量为包覆碳和rGO。本专利技术还提供了一种所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料的制备方法，将包含铋源、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮、还原剂和碱的原料溶液在不低于100℃的温度下进行溶剂热反应；随后再经洗涤、干燥，即得。本专利技术中，如何构建所述特殊形貌结构的电吸附复合活性材料是本专利技术制备方法首要解决的技术问题。通过大量研究发现，通过铋源、还原剂在氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮和碱的体系在所述的温度下进行溶剂热；可以解决困扰铋电极制备领域的材料团聚、稳定性差等问题，可以成功构建所述形貌、原位双碳复合结构的电吸附复合活性材料。本专利技术制备方法制得的电吸附复合活性材料形貌特殊，且该电吸附复合活性材料具有优异的卤素电吸附选择性、吸附性和循环再生效果。本专利技术研究发现，通过反应体系的氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮和碱与反应温度的协同配合，利于获得形貌均一性好的六边形、类六边形、原位双碳结构复合结构。该制备方法制得的C@Bi/rGO复合活性材料具有更优的电吸附选择性和吸附容量，其出人意料地具有良好的解吸性能。作为优选，铋源为Bi3+盐；优选为硝酸铋、氯化铋中的至少一种；铋源与氧化石墨粉末的重量比为15～30：1；优选为16～26:1；进一步优选为24～26:1。作为优选，聚乙烯吡咯烷酮与铋源的重量比为1：2～1：1。作为优选，所述的碱为碱金属氢氧化物。作为优选，碱为铋源的重量比为2：1～1：2。作为优选，还原剂为抗坏血酸。优选地，还原剂与铋源的重量比为8：1～12：1；优选为9～12:1。作为优选，原料溶液中的溶剂为溶点不低于100℃的溶剂；进一步优选为乙二醇。优选地，溶剂热反应在保护性气氛下进行。所述的保护性气氛例如为氮气或其他惰性气体。研究发现，在所述的原料溶液体系下，控制制备的温度，利于获得卤素电吸附性能优异的电吸附复合活性材料。作为优选，溶剂热温度为100～120℃；优选为105～115℃。对溶剂热的产物进行洗涤、干燥即得所述的电吸附复合活性材料。本专利技术优选的制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化石墨粉末放入乙二醇中超声得到溶液1；(2)将抗坏血酸、五水硝酸铋、NaOH、聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇中混合得到溶液2；(3)将溶液1和溶液2混合，在N2气氛下将混合后的溶液用在不低于100℃下进行溶剂热；(4)离心分离得到沉淀物，用蒸馏水和酒精洗涤，然后干燥，产品研磨即得C@Bi/rGO电吸附复合活性材料。本专利技术中，抗坏血酸与五水硝酸铋质量比为8：1～12：1，优选10：1。本专利技术中，使用的氧化石墨烯与五水硝酸铋质量比为1：20～1：30，优选1：25。本专利技术中，步骤(3)中所述反应条件为在N2气氛下油浴温度100～120℃，优选110℃。本专利技术中，步骤(4)中干燥产物温度为50～90℃，优选60℃。本专利技术还提供了一种所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料的应用，作为电极活性材料，用于卤水的电吸附。所述的应用，可将所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料制成电极，随后采用现有电吸附方法，对卤水进行电吸附。所述的卤水为含卤素离子的水溶液，所述的卤素离子例如为氟和/或氯。优选地，预先用于电吸附卤水、随后再经反向电流电解析，提纯卤水中的卤素离子。本专利技术还提供了一种卤素电吸附的复合铋电极，包含集流体，以及复合在其表面的活性材料层；所述的活性材料层中包含导电剂、粘结剂和所述的C@Bi/rGO复合活性材料。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种C@Bi/rGO电吸附复合活性材料，其特征在于，包括还原氧化石墨烯以及原位复合在还原氧化石墨烯表面的碳包覆铋单质颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种C@Bi/rGO电吸附复合活性材料，其特征在于，包括还原氧化石墨烯以及原位复合在还原氧化石墨烯表面的碳包覆铋单质颗粒。2.如权利要求1所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料，其特征在于，具有六边形、类六边形形貌；优选地，所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料的颗粒粒径为20～50nm；优选地，所述的铋单质的含量为83.5％～96.2％。3.一种权利要求1～2任一项所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料的制备方法，其特征在于，将包含铋源、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮、还原剂和碱的原料溶液在不低于100℃的温度下进行溶剂热反应；随后再经洗涤、干燥，即得。4.如权利要求3所述的C@Bi/rGO电吸附复合活性材料的制备方法，其特征在于，铋源为Bi3+盐；优选为五水合硝酸铋、氯化铋中的至少一种；优选地，铋源与氧化石墨烯重量的重量比为15～30：1；优选地，聚乙烯吡咯烷酮与铋源的重量比为1：2～1：1；优选地，碱为铋源的重量比为2：1～1：2；优选地，还原剂为抗坏血酸；优选地，还原剂与铋源的重量比为8：1～12：1；优选地，原料溶液中的溶剂为溶点不低于100℃的溶剂；进一步优选为乙二醇；优选地，溶剂热温度为100～120℃。5.一种卤素电吸附的复合铋电极，其特征在于，包含集流体，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵小波，朱明飞，王海鹰，谭翼潇，柴立元，石岩，杨卫春，杨志辉，唐崇俭，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43