一种高熵普鲁士蓝材料电极及其在电化学脱盐中的应用制造技术

本发明专利技术公开一种高熵普鲁士蓝电极材料及其制备方法与应用，所述制备方法包括步骤：将等摩尔比的五种或五种以上金属盐溶于水中，将亚铁氰化钠溶于水中，得到第二溶液；将第二溶液加入到第一溶液中，进行反应后得到高熵普鲁士蓝电极材料

【技术实现步骤摘要】
一种高熵普鲁士蓝材料电极及其在电化学脱盐中的应用


[0001]本专利技术涉及一种将高熵概念引入普鲁士蓝类似物，制备
HE
‑
PBA
电极，并研究其在电化学脱盐中的应用的

。

技术介绍

[0002]由于人口增长和水质下降造成的环境污染，淡水资源短缺已成为社会发展面临的巨大挑战之一
。
采用高效净水技术将海水和微咸水转化为淡水是解决这一问题的有效途径
。
然而，目前包括反渗透和电渗析在内的净水技术存在能耗高和二次污染的缺点，不适合节约型社会的发展
。
最近，电化学脱盐作为一种高效
、
绿色的海水淡化技术，已被广泛应用于盐水和其他低盐度溶液的淡化领域，被认为是未来海水淡化技术的有力竞争者，而电极材料则是实现高效快速脱盐性能的关键因素
。
[0003]在电极材料的选择里，传统碳材料已广泛用作电化学电极来使用，如活性碳
(AC)、
碳纳米管
、
石墨烯
、
介孔碳
、
碳框架等，然而，由于可用于离子吸附的有效比表面积的限制，先前研究中报道的碳材料的脱盐能力通常处于
10
‑
20mg
·
g
‑1,
这对于未来的大规模实际应用是不够的
。
相反，基于法拉第材料的电极，通过可逆氧化还原反应或插层效应，使其具有比传统碳电极更高的除盐能力和更好的选择性，这可以解决碳电极的上述缺点
。
[0004]普鲁士蓝类似物
(PBAs)
作为传统的法拉第电极，因其特殊的晶体结构和多元素化学组成而引起人们的极大兴趣，已被广泛应用于电池
、
电催化等领域
。
此外，
PBAs
材料具有离子扩散通道大
、
结构可控
、
氧化还原电位高的优点，可以适应并实现钠离子的快速嵌入
/
脱嵌，有望成为理想的法拉第电极电化学除盐材料
。
此外，
PBAs
的低钠
(
脱
)
嵌入电位使其可在相对较低的电位下实现高的钠捕获能力，这不仅可以最大限度地减少能源消耗，还可以防止脱盐过程中的副反应
。
但是这样一个完美的系统无法实现，因为
PBAs
具有几个明显的缺陷
。
第一，
PBAs
固有的低电导率和缓慢的反应动力学严重阻碍了离子的快速插入和提取，并减少了暴露的氧化还原活性位点；第二，由于其稳定性差，其实际离子存储容量仍远未达到理论值
。

技术实现思路

[0005]高熵材料在热力学
、
动力学
、
微观结构和性能等方面表现出的独特高熵效应是仅含一种或两种元素组成的常规材料无法实现的，即稳定效应
、
迟滞扩散效应
、
晶格畸变效应以及“鸡尾酒”效应等，这在填补
PBAs
固有缺陷方面具有极大优势
。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种将高熵概念引入普鲁士蓝，制备
HE
‑
PBA
电极，并将该电极用于电化学脱盐的方法，本专利技术所述电化学脱盐的方法的阴极采用
HE
‑
PBA
电极；阳极采用商业化活性炭电极；将阳极，阴极通过导线连接并接通电源施加一定电压，并将该体系用于处理低浓度含盐废水及海水淡化领域中
。
[0007]将高熵概念引入普鲁士蓝类似物所得到的
HE
‑
PBA
电极，所述电极是将
HE
‑
PBA
材料涂覆在集流材料即石墨纸上所得，其中，所述高熵普鲁士蓝材料表现出典型的普鲁士蓝晶
体结构并展现出“鸡尾酒效应”和“高熵效应”；由于不同元素具有不同的特性，元素之间的组合和相互耦合作用使高熵材料在性能上呈现出一种叠加效应乃至协同效应，最终实现脱盐性能的提升
。
[0008]进一步地，所述材料按下述方法制得：
[0009]通过使用改进的液相成核法，将等摩尔比或近似等摩尔比的
Fe(NO3)3·
9H2O
，
Mn(NO3)2·
4H2O
，
Mg(NO3)2·
6H2O
，
Cr(NO3)3·
9H2O
，
Cu(NO3)2·
3H2O
和柠檬酸钠溶于去离子水中形成
A
溶液，并充分搅拌；随后将亚铁氰化钠溶于去离子水中形成
B
溶液
。
然后在连续搅拌下使用分液漏斗将
B
溶液缓慢滴入
A
溶液中，随后将混合溶液在室温下老化
12
‑
18h
，通过离心收集产物，并分别用去离子水和乙醇反复洗涤，再将最终产物置于真空烘箱中
80
‑
90℃
干燥至恒重
。
[0010]本专利技术所述
HE
‑
PBA
电极利用粘结剂将
HE
‑
PBA
材料粘结在石墨纸上，其中，所述粘结剂为
PVP
与
PVB
以
1:4
的比例加上一定量无水乙醇的混合物搅拌
24h
所制得
。
[0011]将
HE
‑
PBA
材料
、
导电炭黑
、
粘结剂以
80:10:10
的质量比称取，将
HE
‑
PBA
材料和导电炭黑混合均匀，加入无水乙醇搅拌，后加入粘结剂继续搅拌至均匀；然后将浆料涂覆到石墨纸上，并于
60℃
烘箱中干燥过夜后使用
。
最终得到
HE
‑
PBA
作为活性物质的阴极电极
。
[0012]将
HE
‑
PBA
替换成商业活性炭，步骤与上述一致，制备以活性炭为活性物质的阳极电极
。
[0013]本专利技术的另一目的是提供上述
HE
‑
PBA
电极的应用
。
[0014]一种电化学脱盐反应器，所述反应器包括两个相对设置的端板
、
两个电极
、
两根导体和特别制作的流道，其中，采将两个相同尺寸的端板通过螺丝固定，使用胶管将2分中插栓
T
型三通和2分插栓弯头连接作为进水端板的入水流道，出水端板仅用2分插栓弯头和胶管组合作为出水流道；将组装好的接头与胶管插入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
将高熵
(HE)
概念引入普鲁士蓝类似物
(PBAs)
，作为新的材料电极，其特征在于，所述
HE
电极是将五种或五种以上的元素结合成单相材料涂覆在石墨纸上所得，其中，所述
HE
电极材料中的元素通常是由过渡金属元素组成
。2.
根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述
HE
‑
PBA
按下述方法制得：通过使用改进的液相成核法，将等摩尔比或近似等摩尔比的
Fe(NO3)3·
9H2O
，
Mn(NO3)2·
4H2O
，
Mg(NO3)2·
6H2O
，
Cr(NO3)3·
9H2O
，
Cu(NO3)2·
3H2O
和柠檬酸钠溶于去离子水中形成
A
溶液，并充分搅拌；随后将亚铁氰化钠溶于去离子水中形成
B
溶液
。
然后在连续搅拌下使用分液漏斗将
B
溶液缓慢滴入
A
溶液中，随后将混合溶液在温度为
20
‑
25℃
下老化
12
‑
18h
，通过离心收集产物，并分别用去离子水和乙醇反复洗涤，再将最终产物置于真空烘箱中
80
‑
90℃
干燥至恒重
。3.
根据权利要求2所述的
HE
‑
PBA
的制备方法，其特征在于，在所述步骤中，
Fe、Mn、Mg、Cr、Cu
五种过渡金属的摩尔比为1：1：1：1：
1。4.
一种电化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，汪仕勇，雷雨浩，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：