氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合电极材料制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合电极材料制备方法及应用。该方法基于法拉第电容及双电层电容储存电荷的原理。在电容去离子装置中，在一定电压的情况下，一极以氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物电极为法拉第电容吸附钠离子，另一极以活性炭为双电层电容吸附氯离子，从而去除氯化钠，达到脱盐的目的。通过控制施加电压的大小及调整正负极即可实现材料对氯离子和钠离子的循环吸附与脱附，操作简单，无二次污染，且无需其他化学物质辅助。氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料与活性炭电极组成的杂化电容去离子装置对氯化钠的吸附容量可达到175.94mg·g

【技术实现步骤摘要】
氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合电极材料制备方法及应用
本专利技术属于高能源电化学
，涉及一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合电极材料的制备及其在杂化电容去离子技术中的应用。
技术介绍
随着世界人口剧增、环境污染等问题逐渐加剧，人类面临着严峻的饮用水安全危机。此外，我国也面临着越来越严重的水资源匮乏问题。根据相关数据表明，我国人均淡水拥有量仅为2200立方米，名列世界121位，不足世界人均水资源的三分之一，属于全球人均水资源最匮乏的13个国家之一。然而我国的用水量长期维持着较高的水平，再加上水污染使苦咸水占比增大，导致了我国严峻的水资源短缺的问题。针对饮用水资源短缺的问题，目前最常用的方法是将不可直接引用的苦咸水或海水进行净化，从而缓解淡水资源紧缺的危机。传统电容去离子技术是在多孔碳基电极两端加外部电压，使阴阳离子在静电场的作用下向带相反电性的电极移动，从而被吸附在电极上，通过短路或反接电源进行水资源再生利用。但是，传统的碳基电极往往存在长时间循环易发生电极氧化，吸附容量受到材料比表面积的影响，存在共离子效率的问题影响电荷效率等问题，因此亟需出现新型的电极材料来进行脱盐过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，在传统电容去离子技术的基础上克服该技术及电极材料自身的不足，提供一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的制备方法及其在杂化电容去离子技术中的应用。为实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：首先制备一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料，该电极材料在电压的作用下通过法拉第反应进行脱钠嵌钠，相较传统的碳电极受电极影响较小；其次杂化电容去离子技术中的应用相较传统电容去离子技术有更高的吸附容量，即在多孔电极两端加外部电压，使阴阳离子在静电场的作用下向带相反电性的电极移动，从而被吸附在电极上，通过反接电源进行再生利用。相较传统的碳电极，碳包覆的磷酸钒钠体系通过发生法拉第反应，进行嵌钠脱钠，其具有良好的电化学窗口，较大的比电容以及良好的稳定性，从而在电容去离子领域具有良好的应用前景。一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：(1)将磷酸二氢铵、钒酸铵、碳酸钠、氟化钠以摩尔比为2:2:1:1的比例溶解到4gL-1的氧化石墨烯溶液中形成稳定的溶液A；(2)在搅拌的条件下向A溶液中逐滴加入40mLN,N-二甲基甲酰胺溶剂得到溶液B；(3)用硝酸溶液将溶液B的pH调至7左右；(4)将溶液B移至水热釜并在180摄氏度的条件下加热10小时，得到的产物用去离子水和乙醇洗净，然后在真空干燥箱中烘干，得到最终产物氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料。进一步，步骤(1)所述磷酸二氢铵、钒酸铵、碳酸钠、氟化钠的质量分别为0.46g，0.468g，0.212g，0.084g。进一步，步骤(3)所述的硝酸溶液浓度为1molL-1。进一步，步骤(4)所得氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的颗粒尺寸在纳米级。一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料在杂化电容去离子技术中的应用：首先，氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合电极材料与活性炭电极的制备：(1)将上述制备得的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料研磨后，按照质量比为8：1：1与PVDF，乙炔黑混合搅拌约6-12小时得到混合均匀的浆液，将浆液涂抹于石墨纸集电极上，真空60℃烘干，即可得到氟磷酸钒氧钠/石墨烯电极；(2)活性炭电极制备方法与上述相似，将氟磷酸钒氧钠/石墨烯替换为活性炭即可。接着，杂化电容去离子装置的组装：(3)按照固定板、硅胶垫片、集电极、氟磷酸钒氧钠/石墨烯电极、有机玻璃集水槽、隔膜、阴离子交换膜、活性炭电极、集电极、硅胶垫片、固定板的顺序依次组装构成杂化电容去离子装置。其中，有机玻璃集水槽为中空的板，开有进出水口，从而达到循环进水的目的。最后，脱盐性能测试：(4)杂化电容去离子装置组装完毕后，将其接入脱盐流程中进行脱盐性能测试。脱盐流程包括氯化钠集水池、蠕动泵、杂化电容去离子装置、电导率仪，各器件通过软管连接。工作时，蠕动泵将氯化钠盐水从氯化钠集水池以一定的速率输入通电的杂化电容去离子装置，吸附后，循环回到氯化钠集水池测试溶液电导率。(5)反接电压即可实现脱附的过程，操作与吸附一致。所述杂化电容去离子技术去除水体中氯化钠离子的原理为：氟磷酸钒氧钠/石墨烯材料在外接电压的条件下，其晶格内的钠离子脱出，反接电压则溶液中的钠离子可以重新嵌入晶格，从而去除水体中的钠离子，相关反应方程如Eq(1)；而氯离子在外接电压的作用下，向活性碳电极移动，在其表面形成双电层被储存，反接电压时，双电层消失，氯离子从电极上脱附出来；由此，达到材料吸附脱附循环再生的过程。所述阴离子交换膜为减小反应过程中的共离子效应，从而增大电荷效率。所述蠕动泵循环水流速为20ml/min。所述循环再生条件为：电压范围为-1.8V～1.8V至-1.2V～1.2V；恒流电流密度范围为25mA/g～100mA/g。所述进水浓度为：进水浓度为1000mg/L。传统电容去离子技术是利用碳基电极，通过形成双电层将离子去除掉，具有吸附容量小等不足。相较双电层行为，电池行为(即发生体相法拉第反应)具有更大的比电容，预示着其应用在电容去离子领域有更大的吸附容量。而本专利技术利用杂化电容去离子技术，一极发生法拉第反应，另一极仍为碳基电极；同时结合了双电层行为和电池行为的双优势，既可以获得较大的吸附容量，又可以保证吸附速率。本专利技术方法基于法拉第电容及双电层电容储存电荷的原理。在电容去离子装置中，在一定电压的情况下，一极以氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物电极为法拉第电容吸附钠离子，另一极以活性炭为双电层电容吸附氯离子，从而去除氯化钠，达到脱盐的目的。通过控制施加电压的大小及调整正负极即可实现材料对氯离子和钠离子的循环吸附与脱附，操作简单，无二次污染，且无需其他化学物质辅助。氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料与活性炭电极组成的杂化电容去离子装置对氯化钠的吸附容量可达到175.94mg·g-1，且具有较低能耗为0.35kWh·kg-NaCl-1，是一种极具前景的脱盐方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：①本专利技术基于法拉第电容及双电层电容去除水体中氯化钠，并且可达到循环再生利用。②本专利技术吸附容量大，吸附速率高，能耗小。附图说明图1为本专利技术实施例1提供的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物TEM图。图2为本专利技术实施例1提供的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物SEM图。图3为本专利技术实施例2提供的杂化电容去离子电极的示意图。图4为本专利技术实施例2提供的碳包覆磷酸钒钠脱钠嵌钠过程示意图。图5为本专利技术实施例2提供的不同电流密度下，杂化电容去离子的吸附容量和吸附速率图。图6为本专利技术实施例2提供的不同电压窗口下，杂化电容去离子的吸附容量和吸附速率图。图7为本专利技术实施例2提供的不同电流密度下，杂化电容去离子的能耗和能量回收图。图8为本专利技术实施例2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)将磷酸二氢铵、钒酸铵、碳酸钠、氟化钠以摩尔比为2:2:1:1的比例溶解到4g L

【技术特征摘要】
1.一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将磷酸二氢铵、钒酸铵、碳酸钠、氟化钠以摩尔比为2:2:1:1的比例溶解到4gL-1的氧化石墨烯溶液中形成稳定的溶液A；
(2)在搅拌的条件下向A溶液中逐滴加入40mLN,N-二甲基甲酰胺溶剂得到溶液B；
(3)用硝酸溶液将溶液B的pH调至7左右；
(4)将溶液B移至水热釜并在180摄氏度的条件下加热10小时，得到的产物用去离子水和乙醇洗净，然后在真空干燥箱中烘干。


2.根据权利要求1所述的一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的制备及其在电容去离子技术中的应用，其特征在于：步骤(3)中，硝酸溶液的浓度为1molL-1。


3.一种如权利要求1至2任一所述的制备方法得到的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料。


4.根据权利要求3所述的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料，其特征在于：所述氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的颗粒尺寸在纳米级。


5.如权利要求3所述的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料在杂化电容去离子技术中的应用，其特征在于，包括如下过程：
氟磷酸钒氧钠/石墨烯电极与活性炭电极的制备：
(1)将所述制得的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料研磨后，按照质量比为8：1：1与PVDF，乙炔黑混合，加入适量NMP搅拌约6-12小时得到混合均匀的浆液，将浆液抹于石墨纸集电极上。真空60℃烘干即可得到氟磷酸钒氧钠/石墨烯电极；
(2)将活性炭按照质量比为8：1:：1与PVDF，乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：马杰，程钰娟，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31