[发明专利]一种利用块状泡沫结构螯合物合成多级孔碳电吸附电极材料的方法及应用

说明书

一种利用块状泡沫结构螯合物合成多级孔碳电吸附电极材料的方法及应用，属于电吸附及其电极材料制备技术领域。通过将柠檬酸和硝酸镁的澄清溶液混合后在高温条件下烘干，形成一种块状泡沫结构螯合物。此螯合物再与无机碱按某一比例混合研磨均匀后，通过高温焙烧制备得到可用于电吸附电极材料的多级孔碳材料。制备方法简单、易操作，适合实验室研究以及工业生产。

技术领域

本发明属于电吸附及其电极材料制备技术领域，具体涉及一种利用块状泡沫结构螯合物合成多级孔碳电吸附电极材料的方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，水资源紧缺的状况愈加严重，许多国家将目光聚集在海水除盐淡化上。目前使用广泛的除盐方法包括：压力-膜法除盐，如反渗透(RO)以及纳滤法(NF)等；电-膜法除盐，如电渗析(ED)，连续电去离子器(CDI)以及填充床电渗析(EDI)等；热力法除盐，如竖管多效蒸馏(MED)，蒸馏法，机械蒸汽压缩蒸馏(MVC)以及多级闪急蒸馏(MSF)等；化学除盐法如药剂沉淀法以及离子交换法等。然而，这些方法都各自存在不足之处，蒸馏技术能耗大，离子交换技术会产生二次污染，电渗析和反渗透技术的膜成本高而且不易再生。电容去离子技术(capacitive deionization，CDI)，又称为电吸附技术，是近年发展起来的一种新型、高效率、低能耗、无二次污染的水处理技术，它已经吸引了国内外研究者的广泛关注，其应用领域涉及工业废水处理、工业除盐处理、苦咸水淡化、海水淡化等多个方面。电吸附利用了电化学双电层充电原理，即利用电场作用，驱动水中阴、阳离子或其他带电粒子分别向带相反电荷的电极表面迁移，形成双电层，离子在电极表面富集浓缩。将电极短路或反接后，吸附的带电粒子就会从电极表面脱附下来，从而实现电极的再生。(参见文献：Rsc Advances,2016,6(7):5817-5823；Electrochimica Acta,2015,188(1-2):406-413.)电吸附技术应用于水处理的前景十分诱人，被认为是除盐领域最有前途的技术之一。

目前，电吸附除盐技术所用的电极材料多为活性炭、活性炭纤维、碳气凝胶、纳米碳管等，而传统碳材料电极因为比表面积不够高、孔径分布不均匀或是电容较小的问题，因此除盐效率低，并且价格昂贵，制备工艺复杂，都不是很理想的电极材料。近来，具备多级孔分布的碳材料电极因其具有优秀的电吸附性能获得了大量的关注。多级孔碳材料因具有大的比表面积和多尺度孔结构，从而在离子吸附过程中提供更多的可供吸附的活性位点。同时，多级孔结构也可以提高离子传输速率，其中大孔作为离子接收池可以缩短离子的传输距离，中孔不仅提供了大量的离子吸附比表面积，还降低了离子在整个材料中传输的电阻。目前已有多个关于多级孔碳材料电极合成和应用的报道。J.Mater.Chem.A,2015,3,12730–12737中我们以EDTA为碳源，与无机碱共同热处理合成的多孔碳材料，在40mg/L的NaCl溶液中，电吸附容量为34.27mg/g。Electrochimica Acta 193(2016)88–95中Pan等制备的3D石墨烯框架结构的多微孔碳球，在电吸附处理100mg/L的NaCl溶液时，电吸附容量为9.8mg/g。

本研究是探索一种利用块状泡沫结构螯合物作为前驱体，合成多级孔碳电吸附电极材料的方法。

发明内容

本发明涉及一种利用块状泡沫结构螯合物合成多级孔碳电吸附电极材料的方法，该材料是使用柠檬酸为碳源，用柠檬酸和硝酸镁制备出块状泡沫结构螯合物前驱物，随后用无机碱进行扩孔合成具有大比表面积，孔径分布均匀，并且具有高电容的新型多孔级碳材料，将其应用于电吸附技术具有显著效果。