[发明专利]一种基于金属有机骨架材料的多孔碳电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于金属有机骨架材料的新型多孔碳电极及其制备方法，该电极主要用于电容去离子除盐过程，属于水处理技术的应用领域，特别属于咸水脱盐技术领域。

背景技术

在经济不断持续高速发展的同时，我国面临着淡水资源严重短缺的局面。为了满足对纯净水的需求，人们开始对咸水进行淡化处理。传统的可用于咸水淡化的除盐方法主要有蒸馏、离子交换、电渗析、反渗透等。但这些传统的方法都有其各自的缺点，蒸馏需要长时间加热，能耗高；离子交换树脂再生时需要大量强酸和强碱，容易产生二次污染；电渗析和反渗透的渗透膜昂贵，成本高。

电吸附技术 （EST，Electro-Sorption Technology），又称电容去离子 （CDI，Capacitive Deionization），是利用带电电极表面吸附水中带有相反电荷的离子，并将其束缚在电极表面形成的双电层中，从而实现水净化/淡化的一种新型水处理技术。当电极吸附达到饱和后，除去外加电场或将电极反接，吸附的离子将被释放到溶液中，电极得到再生，再生后的电极可重新投入使用。CDI过程中不需任何化学药剂，再生所排放的浓盐水来自原水，系统本身不产生新的排放物，避免了二次污染问题。因此，与传统除盐技术相比，该技术不仅省去了浓酸、浓碱的运输、贮存和操作上的麻烦，而且能耗低，投资小，无二次污染，是一种既经济，又有效的除盐技术。

电极材料是影响CDI除盐效果的最重要因素，必须拥有足够大的表面积和良好的导电性，因此CDI所采用的电极材料往往是具有高比表面积的碳材料，如活性碳、活性碳纤维、碳纳米管、碳气凝胶等。但将金属有机骨架材料碳化制备多孔碳，作为CDI电极材料尚无文献报道。

金属有机骨架（Metal Organic Frameworks）材料具有无机和有机功能材料的综合特性，煅烧后可获得新型多孔的碳材料，具有比表面积大、电阻低、制备工艺简单等显著优点，可作为优异的CDI电极材料使用。因此，本发明制备了基于新型金属有机骨架材料MOF-66,及金属有机骨架材料MOF-5、ZIF-8的多孔碳，并分别制备成成型多孔碳电极，研究该类电极电容去离子除盐性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于金属有机骨架材料的多孔碳电极及其制备方法，并将这种新型多孔碳电极应用于电容去离子除盐领域，采用该材料制得的多孔碳电极比表面积大，亲水性好，在电容去离子过程中除盐率高，再生性能优良。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：该多孔碳电极是合成采用金属有机骨架材料在真空状态下高温煅烧获得多孔碳，再将多孔碳与粘结剂混合，平铺在石墨纸上，干燥，最后将粘结剂碳化，制备成多孔碳电极。

所述的金属有机骨架材料是新型MOF材料[Cd(OTADDB)·C₂H₅OH·2DMF·H₂O]_n(OTADDB=3,3′-[(6-oxbydrl-1,3,5-triazine-2,4-diyl)diimino]dibenzoic acid)（本专利称该新型MOF材料为MOF-66）。

该方法包括以下步骤：

（1）、新型MOF材料MOF-66的制备：①将1.08g 5-氨基间苯二甲酸加入到20mL纯水中，磁力搅拌至完全溶解，再向溶液中缓慢加入0.36g NaOH和0.552g NaHCO₃，继续磁力搅拌至NaOH和NaHCO₃完全溶解获得溶液A；②将0.6g三聚氯氰加入到5.0mL 1,4-二氧六环中，磁力搅拌至完全溶解获得溶液B；③在室温条件下，将溶液B逐滴加到溶液A中，磁力搅拌12h，用质量浓度为20%的HCl调节溶液的pH值至3，抽滤，获得配体L；④将0.024g Cd（NO₃）₂和0.018g 配体L加入到4mL N,N-二甲基甲酰胺中，滴加1mL 2mol/L的HNO₃，溶解并摇匀，将上述溶液置于玻璃瓶中，密封，置于烘箱中85℃下反应3天，自然冷却至室温后取出，抽滤，获得浅黄色晶体，再用N,N-二甲基甲酰胺洗涤、抽滤该浅黄色晶体，反复两次，将滤后浅黄色晶体放入烘箱中，50℃下干燥1h，得到新型MOF材料MOF-66。

（2）、利用新型MOF材料MOF-66制备多孔碳：

将（1）中制得的新型MOF材料MOF-66置于真空马弗炉中，真空状态下，于900℃煅烧2h，自然冷却至室温后取出，获得基于新型MOF材料MOF-66的多孔碳。