[发明专利]一种利用氮气烧铜金属有机框架制作阳极材料的方法

说明书

本发明公开了一种利用氮气烧铜金属有机框架制作阳极材料的方法制作阳极材料的方法。具体的制作方法是先合成新型金属有机框架材料Cu₃(BTC)₂，然后在氮气环境下高温锻烧获得多孔碳材料，再将不同比例的多孔碳与活性碳、导电剂炭黑、粘结剂PTFE按一定比例混合,压覆在钛网上,干燥,制备成多孔碳阳极；阴极材料使用活性碳，组成电容除盐装置非对称电极。不同掺杂比例多孔碳阳极在电容去离子过程中除盐率可达到84.7％,为活性碳电极的5.33倍,单位电吸附容量可达62.3mg/g,为活性碳电极的4.65倍。采用本发明制备的多孔碳材料作为阳极掺杂材料可提高电容除盐装置的电吸附能力，在咸水淡化领域有良好的发展前景。

技术领域

本发明涉及环境工程技术领域中阳极材料的制备，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,特别属于咸水淡化技术领域。

背景技术

全球97％以上的水资源是不可直接饮用或利用的海水和苦咸水，这就使得海水、苦咸水的淡化成为能够从根本上解决世界水危机的最佳手段。针对这一现状，全球范围内发展出许多脱盐技术，例如反渗透技术、电渗析技术、多级闪蒸技术、离子交换技术等。然而，大多数传统脱盐技术的缺点在于其原理是将相对大量的水分子从溶液中提取出来，这就必将消耗大量的能量。反渗透技术必须用高压通过高驱动能量实现水盐分离，其浓水室还会带来二次污染；多级闪蒸技术需要消耗大量的热能来实现水的汽化分离；离子交换法则需要繁琐、昂贵的再生过程，而且由于其再生需要强酸、强碱，势必会破坏环境；电渗析技术必须使用极大电压迫使离子定向移动而实现分离，从而带来极高的能耗并且会造成水的分解。综上所述，传统脱盐技术普遍存在着高能耗、低效率、低水利用率、二次污染等问题，送使得海水淡化一直难真正实现大规模产业化。电容去离子技术(CapacitiveDeionization，CDI)的基本原理是基于双电层电容原理，在一对平行电极之间施加外加电场，一个电极带正电，一个电极带负电，含有离子的溶液从电极间流过，在静电作用下，溶液中的离子向带有反相电荷的电极处移动，溶液中的阳离子被吸附在负极表面，同时阴离子被吸附在正极表面，随着离子不断被吸附，溶液的浓度逐渐降低，从而实现溶液中离子的脱除。当吸附达到饱和后，将电极反接，由于斥力作用，吸附在电极表面的离子会释放到溶液中，顺溶液流出，实现电极再生，伴随脱盐和电极再生过程，还有能量的储存和释放，脱盐过程是一个储能的过程，而电极再生过程是一个能量释放过程。因为电容去离子技术与超级电容器都是基于双电层原理，所以电极的双电层电容值越高，说明其吸附离子越多，离子脱除率越高。电容除盐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,是一种既经济有效又绿色环保的除盐技术，这使得CDI技术在许多水处理领域具有潜在的应用前景，如海水及苦咸水淡化、工业及家用硬水软化、医用高纯水及特种离子去除和提取等。

电极材料是影响电容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。但将金属有机框架材料Cu₃(BTC)₂在氮气流下碳化制备多孔碳作为阳极掺杂材料尚无文献报道。金属有机框架材料 Cu₃(BTC)₂具有无机和有机功能材料的综合特性,氮气环境下锻烧后可获得新型的多孔碳材料,具有比表面积大、电阻低、制备工艺简单等显著优点,氮惨杂可诱导碳材料中产生大量的缺陷,缺陷的存在可产生更大的接触表面积，并引起电荷的积累，从而有利于电荷的传输，可作为优异的电极掺杂材料使用。因此,本发明制备了新型金属有机框架材料Cu₃(BTC)₂,在800℃氮气流下煅烧制备成新型多孔碳电极材料,研究该类电极电容去离子除盐性能。

发明内容