一种复合材料与负载该复合材料的电极及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料与负载该复合材料的电极及制备方法。涉及氟离子去除技术领域。该复合材料包括氧化铈和包覆所述氧化铈的碳纳米管。该复合材料中，氧化铈对F离子具有独特亲和力，但由于电导率有限，氧化铈的F去除能力和动力学不令人满意，基于此，本发明专利技术开发了一种复合材料，该材料中形成碳纳米管(CNT)紧密包裹氧化铈(CeO2)颗粒的结构，从而极大提升材料导电性与减弱在电吸脱附氟离子方面的传质阻力。质阻力。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料与负载该复合材料的电极及制备方法


[0001]本专利技术涉及氟离子去除
，尤其是涉及一种复合材料与负载该复合材料的电极及制备方法。

技术介绍

[0002]氟元素(Fluoride，F)是人类生命所需的基本元素之一，通常来源于世界各地的天然水域附近含氟矿物的风化和溶解。然而，长期暴露于高水平的含氟环境中可导致人体严重的氟中毒，进一步导致神经损伤、肢体功能障碍、身体骨骼和关节变形，甚至在极端情况下导致瘫痪。据报道，全世界约有2亿人饮用的水氟浓度明显高于世界卫生组织(WHO)建议的1.5mg/L的指导限值。特别是在地下水中，由于含氟矿物的自然溶解，氟离子的浓度可能高达10mg/L，对人类健康构成潜在的严重威胁。因此，开发一种有效且低成本的方法去除地下水中超标的氟离子至关重要，尤其是在缺乏基本水处理设施的农村地区和社区。
[0003]因其成本低且易于操作的特点，吸附法是去除水体中氟离子最常用的方法之一。虽然吸附法中纳米吸附剂具有较大的表面积和较高的活性而显示出较强的吸附性能，但是微小颗粒不适用于固定床柱，它们在收集和再生方面也面临诸多困难。此外纳米材料容易释放到目标水体中，带来二次污染。更进一步地，吸附法中常用的材料包括氧化铈和碳纳米管，但目前报道的氧化铈和CNT(碳纳米管)复合只是简单的物理混合，效用较低。
[0004]基于此，亟需开发一种选择性去除氟离子的电极及其制备方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的第一个技术问题是：
[0006]提供一种复合材料。
[0007]本专利技术所要解决的第二个技术问题是：
[0008]提供一种所述复合材料的制备方法。
[0009]本专利技术还提出一种电极，包括电容去离子技术选择性电极和覆盖在电容去离子技术选择性电极上的所述复合材料。
[0010]为了解决所述第一个技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0011]一种复合材料，所述复合材料包括氧化铈和包覆所述氧化铈的碳纳米管。
[0012]根据本专利技术的实施方式，所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：
[0013]所述复合材料中，氧化铈对F离子具有独特亲和力，但由于电导率有限，氧化铈的F去除能力和动力学不令人满意，基于此，本专利技术开发了一种复合材料，该材料中形成碳纳米管(CNT)紧密包裹氧化铈(CeO2)颗粒的结构，从而极大提升材料导电性与减弱在电吸脱附氟离子方面的传质阻力。进一步的，该包覆结构的还具有以下优势：1.包覆结构能够更加促进对于氧化铈的参杂混合，使得混合更为均匀而紧密，从而有利于电子转移，提升材料整体的导电性；2.包覆结构还在一定程度上避免了氧化铈的团聚行为，充分暴露氧化铈的表面
积，从而增加和氟离子作用的位点。
[0014]根据本专利技术的一种实施方式，所述氧化铈与碳纳米管的质量比为80
‑
90：10
‑
20。
[0015]根据本专利技术的一种实施方式，通过调控碳纳米管的质量，可以得到CNT的质量百分比分别为10％、15％、20％的符合材料，所得产物分别命名为10
‑
CNT
‑
CeO2、15
‑
CNT
‑
CeO2和20
‑
CNT
‑
CeO2。
[0016]为了解决所述第二个技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0017]一种制备所述复合材料的方法，包括以下步骤：
[0018]混合氢氧化铈与碳纳米管，经退火反应，得到所述复合材料。
[0019]根据本专利技术的实施方式，所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：
[0020]本专利技术使用氢氧化铈与碳纳米管作为前驱体，通过退火反应，直接一步合成复合材料，高效快速。
[0021]在制备所述复合材料的过程中，氢氧化铈先会被氧化形成氧化铈时，并在碳纳米管上完成无定形相转变为结晶相这一过程，相当于将氧化铈锚定在碳纳米管上，这种方式，使得两者结合得更加紧密，并且十分容易容易形成包覆结构，而包覆结构的产生，又能够极大提升材料导电性与减弱在电吸脱附氟离子方面的传质阻力。
[0022]根据本专利技术的一种实施方式，所述退火反应的温度大于等于450℃。不同温度会影响氧化铈结晶度和氧空位水平，这些都与去除效果，电极稳定性有关。
[0023]根据本专利技术的一种实施方式，所述退火反应的温度为400
‑
500℃。
[0024]根据本专利技术的一种实施方式，所述退火反应的温度若超过500℃，会对碳纳米管的结构产生不利影响，会在一定程度上破坏其结构。
[0025]根据本专利技术的一种实施方式，所述退火反应的温度若低于400℃，碳纳米管将无法充分延展，从而影响到碳纳米管与氧化铈的结合，导致无法得到本专利技术宣称的碳纳米管紧密包裹氧化铈的结构。
[0026]根据本专利技术的一种实施方式，所述氢氧化铈的制备方法，包括以下步骤：
[0027]混合铈源、有机酸、金属氢氧化物于溶剂中，经加热反应，得到氢氧化铈。
[0028]根据本专利技术的一种实施方式，混合铈源、有机酸、金属氢氧化物的摩尔比为1.6
‑
2.9∶1∶1.6
‑
2.9。
[0029]根据本专利技术的一种实施方式，铈源与金属氢氧化物的用量相同。
[0030]根据本专利技术的一种实施方式，所述溶剂包括有机溶剂与无机溶剂。无机溶剂包括水，有机溶剂包括乙醇、丙三醇等，溶剂的选择可以根据需要进行筛选，一般而言，溶剂的选择不会影响到反应。
[0031]根据本专利技术的一种实施方式，所述铈源包括卤化铈和硝酸铈中的至少一种。
[0032]根据本专利技术的一种实施方式，卤化铈中的卤为卤素或卤基，指F、Cl、Br或I，卤的存在为提供反应活性位点，因此，应当认为任一种卤化铈即可实现本专利技术宣称的技术效果或合成目标产物，不应当认为只有某一种卤化铈可以实现本专利技术宣称的技术效果或合成目标产物。
[0033]根据本专利技术的一种实施方式，当所述铈源为硝酸铈时，仍然能够通过本专利技术的方案合成目标物，无论铈源为硝酸铈或卤化铈，都不会对目标产物的结构或性能产生明显的
影响。
[0034]根据本专利技术的一种实施方式，金属氢氧化物包括氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种。金属氢氧化物的目的在于提供氢氧根，因此，应该认定任何具有氢氧根的金属氢氧化物，都能够实现本专利技术宣称的技术效果或合成目标产物。
[0035]根据本专利技术的一种实施方式，加热反应的温度为180
‑
200℃。
[0036]根据本专利技术的一种实施方式，加热反应的温度选自以下任一种温度或者任两种温度构成的温度区间：180℃、181℃、182℃、183℃、184℃、185℃、186℃、187℃、188℃、189℃、190℃、191℃、192℃、193℃、194℃、195℃、196℃、197℃、1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于：所述复合材料包括氧化铈和包覆所述氧化铈的碳纳米管。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述氧化铈与碳纳米管的质量比为80
‑
90：10
‑
20。3.一种制备如权利要求1至2任一项所述的复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：混合氢氧化铈与碳纳米管，经退火反应，得到所述复合材料。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述退火反应的温度大于等于450℃。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述氢氧化铈的制备方法，包括以下步骤：混合铈源、有机酸、金属氢氧化物于溶剂中，经加热反应，得到氢氧化铈。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王钟颍，刘勋，潘雨，陈宇超，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：