一种用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料及其应用，所述多孔碳电极材料是采用具有框架结构的生物质材料浸入造孔剂溶液中，然后将其在惰性气氛下高温煅烧获得多孔碳，再将所述多孔碳置于浓硝酸溶液中活化，再经洗涤和干燥，即可。制得的多孔碳材料因具有固定的框架，三级孔道结构形貌以及氮元素的掺杂，因而具有较大的比表面积、较好的电化学性能以及通过采用流过电极式的方式可有效缩短溶液与电极材料间距离，进而降低接触电阻，提高脱盐性能。本发明专利技术工艺简单，操作方便，原料资源丰富、生产成本低廉，具有良好的应用前景和经济效益。

A new porous carbon electrode material for capacitive deionization and its application

【技术实现步骤摘要】
一种用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料及其应用
本专利技术涉及电容去离子
，特别的涉及一种用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料及其应用。
技术介绍
电容去离子（CapacitiveDeionization，CDI）是一种基于双电层理论的新型脱盐技术，其基本原理是将电场施加到两个平行相对的多孔电极两端，溶液中的阴阳离子在电场作用下往两极移动，在电极和电解液交界面形成双电层并存储在电极中，达到去除溶液中带电离子的目的。当吸附达到饱和，将电极短路或者施加反向电压，离子重新返回溶液中实现电极的再生。基于CDI的原理，其吸附能力取决于电极和溶液之间的内层电容和扩散层电容串联之后的总电容。作为一种新兴的水处理技术，该技术因具有环境友好，操作简便以及设计简单等优点而受到广泛关注。一般来说，电极材料应具有良好的导电性、高比表面积、较窄的孔径分布和良好的亲水性。良好的导电性利于电子传输，高比表面积可以提供更多的活性位点，较窄的孔径分布和良好的亲水性可以快速传输电解质。目前常用的电极材料有活性炭、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、介孔碳和碳气凝胶等。如专利技术专利CN201610511908.8公开了一种电容去离子选择性吸附电极的制备方法，酸性条件下溶解聚丙烯酸钠，加聚乙烯醇高温酯化，所制备的选择性材料与活性炭、炭黑、聚乙烯醇按一定比例混合成浆料，刮涂于石墨纸上，烘干得到电容去离子选择性吸附电极。专利技术专利CN201910387152.4公开了一种基于壳聚糖高温热解的多孔碳电极及其制备方法，所述的多孔碳电极是先将壳聚糖炭化后与氢氧化钾混合在氮气氛围下高温煅烧获得多孔碳，再将多孔碳和粘合剂、导电剂混合均匀，压制在钛网上而制得。专利技术专利CN201910709680.7公开了一种生物炭基电容式电极材料、采用其制备的电容式电极及其应用。该电极材料包括生物炭、导电黑和聚偏氟乙烯，将所述生物炭基电容式电极材料和有机溶剂混合均匀得电极浆液，采用所述电极浆液浸润集流体，干燥，制得生物炭基电容式电极材料。但以活性炭粉末或者颗粒制作电极时，一般需要用高分子胶粘剂将活性炭粘结在一起，而往往高分子胶粘剂会吸附到一部分活性炭的表面，这样的电极就会有很高的电流传递和质量传递阻力。而且，粉末状的电极材料所得到的CDI电极一般通过电极间流过式的方式来进行CDI处理，溶液与电极材料接触并发生静电吸附存在一定的距离，势必导致电阻增大。即使临近的碳粒子相互接触，它们之间的电接触也不很紧密，造成很高的电阻。专利技术专利CN201210523040.5公开了，一种绿色纳米碳基膜电容水处理设备,该设备采用低温低压化学气相沉积装置在导电衬底上直接生长具有高比表面积的碳纳米管-碳纳米纤维复合薄膜，并进一步用酸和等离子体活化处理，将离子交换膜引入到CDI技术中。但是由于碳纳米易团聚，降低了其比表面积及离子的传输速率，并且碳纳米管的比表面积远远小于其他碳材料，故其电容去离子性能也小于其他碳材料，所以碳纳米管吸附量较低。专利技术专利CN201710194620.7公开了一种石墨烯/铁氧体纳米复合电极材料的制备方法，包括：(1)利用水热法制备得到纳米复合材料前驱体；将前驱体干燥，得到黑色粉体，煅烧，再经研磨得到均匀的石墨烯/铁氧体纳米复合材料；(2)将活性炭、碳纳米管、炭黑、石墨烯/铁氧体纳米复合材料、聚四氟乙烯分散于乙醇或者去离子水中，加热搅拌，得到半固体状态的浆料，利用对辊机多次辊压。但石墨烯电极的制备成本较高，工艺复杂。从成本和实际脱盐效果考虑，传统材料很难在CDI领域进一步应用，因此亟待去研究和开发新的碳材料。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料及其应用，解决现有碳材料存在电流传递和质量传递阻力大，吸附效果不佳，成本较高和工艺流程复杂等问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料，所述多孔碳电极材料是采用具有框架结构的生物质材料浸入造孔剂溶液中，洗涤干燥后，然后将其在惰性气氛下高温煅烧获得多孔碳，再将所述多孔碳置于浓硝酸溶液中活化，再经洗涤和干燥，即得到所述多孔碳电极材料。进一步的，所述具有框架结构的生物质材料是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种生物材料，如竹子、木材或植物杆径等。生物质是地球上最丰富的可再生资源之一，其主要由碳元素、氧元素以及微量的氮、硫等元素构成，在结构上，生物质具有独特的宏观/微观孔结构。进一步的，所述造孔剂为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、氯化钠、碳酸钙或磷酸，优选为碳酸氢钾。进一步的，所述浸入时间为1~3h。进一步的，所述高温煅烧是以10℃/min的速率升温至600～800℃保温2~4h。进一步的，所述浓硝酸的浓度为18mol/L；所述活化时间为2~4h。本专利技术还提供了上述用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料在处理废水中的应用，进一步的，用于脱除所述废水中的重金属离子。上述用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料在淡化盐水中的应用。相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术提供的新型多孔碳电极材料是以具有固定框架结构的生物质材料为原料，在造孔剂溶液的辅助下，通过高温煅烧制得具有固定框架结构的生物质衍生多孔碳材料，然后利用浓硝酸浸泡增强生物质衍生多孔碳材料的润湿性。制得的多孔碳电极材料结构稳定，具有固定的框架和三级孔道结构形貌，而且孔尺寸在几纳米到几百纳米之间，较大的微孔和比表面积有利于离子的储存和传递，使其具有较好的电化学性能以及优异的脱盐性能，可作为CDI电极材料应用到水体中脱盐或脱除重金属离子。2、本专利技术采用的生物质材料不仅含有丰富的碳元素，而且还含有微量的氮元素，因此本专利技术所制得的具有固定框架结构的生物质衍生多孔碳材料中有氮元素的掺杂，这将利于所得碳材料的电化学性能的提高。3、本专利技术所提供的具有固定框架结构的生物质衍生多孔碳材料利用其固定框架结构直接作为CDI电极材料，无需像粉末状样品那样需要粘结剂粘附于集电板上，且通过采用流过电极式的方式来进行CDI操作，可有效缩短溶液与电极材料间距离，进而降低接触电阻，最终提高脱盐效率，从而解决了粉末或颗粒碳材料存在电流传递和质量传递阻力大的问题。4、本专利技术以廉价且资源丰富的生物质为原料，生产成本低廉，绿色经济，工艺简单，操作方便，易于工业化生产，有利于电容去离子技术的进一步研究，也为CDI用电极材料提供了一种新选择和新思路。附图说明图1为本专利技术实施例1所制得的多孔碳电极材料的电镜图；a为数码照片，b为扫描电镜照片，c为局部放大的扫描电镜照片，d为透射电镜照片。图2为本专利技术实施例1所制得的多孔碳电极材料的微观结构分析图；a为X射线衍射图，b为拉曼测试图。图3为本专利技术实施例1所制得的多孔碳电极材料的表面结构的表征图；a为氮吸附-解吸附曲线图，b为孔径分布图。图4为本专利技术实施例1所制得的多孔碳电极材料的电化学性能测试图；a为循环伏安图，b为在0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料，其特征在于，所述多孔碳电极材料是采用具有框架结构的生物质材料浸入造孔剂溶液中，洗涤干燥后，然后将其在惰性气氛下高温煅烧获得多孔碳，再将所述多孔碳置于浓硝酸溶液中活化，经洗涤和干燥，即得到所述多孔碳电极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料，其特征在于，所述多孔碳电极材料是采用具有框架结构的生物质材料浸入造孔剂溶液中，洗涤干燥后，然后将其在惰性气氛下高温煅烧获得多孔碳，再将所述多孔碳置于浓硝酸溶液中活化，经洗涤和干燥，即得到所述多孔碳电极材料。


2.根据权利要求1所述用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料，其特征在于，所述生物质材料为竹子、木材或植物杆径。


3.根据权利要求1所述用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料，其特征在于，所述造孔剂为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、氯化钠、碳酸钙或磷酸，优选为碳酸氢钾。


4.根据权利要求1所述用于电容去离子技术的新型多孔碳电极材料，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵翠娇，丁文文，刘东升，丁世敏，
申请(专利权)人：长江师范学院，
类型：发明
国别省市：重庆;50