[发明专利]一种磁性纳米包覆交联聚合物碳电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种磁性纳米包覆交联聚合物碳电极材料及其制备方法和应用。制备方法包括如下步骤：将Fe₃O₄纳米粒子加入甲醇中超声搅拌，加入六氯环三磷腈和二羟基二苯砜，逐滴加入乙二胺，连续搅拌反应，反应完成后，水和甲醇洗净，真空干燥制备得MPZS；在惰性气氛碳化处理得到磁性纳米包覆交联聚合物碳电极材料。本发明的磁性纳米包覆交联聚合物碳电极材料最佳比电容为211.54F/g，具有较高的电吸附容量，可达50.07mg/g，和去除率，可达68.50％，了10次循环试验表现出较好的稳定性。

技术领域

本发明涉及电容去离子技术领域，更具体地，涉及一种磁性纳米包覆交联聚合物碳电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于工业化和城市化的进展，目前人类对淡水和洁净水的需求正在迅速增长。然而，水资源短缺、难以利用的咸水和难以再生的污水等问题依然困扰着 人类社会的快速可持续发展。目前，海水淡化技术主要为反渗透、膜蒸馏、电渗析和离子交换树脂，电容去离子化(CDI)因具有较高的电容效率，较好的淡化效果，已成为一种新兴的替代技术。CDI通过在形成的电场处形成电双层(EDLs)，从溶液中去除和储存盐离子。然而，CDI也存在一些缺点，如能量效率低、共离子效应大、溶液与电极间的界面电阻高、电极材料中离子存储有限等。流动电容去电离(FCDI)方法的研究可以克服这些限制，代替固定碳电极与悬浮碳电极，具有连续操作性，可以实现高盐去除效率(η)和盐吸附能力(SAC)。

掺杂碳材料在CDI中具有良好的性能和较低的价格，具有很大的发展潜力，但其效率还不令人满意。根据实验和理论计算，将杂原子掺杂到碳晶格中，如 N(氮气)、P(磷)和S(硫)，是提高电容性性能效率的一种有益方法。通常，添加杂原子具有类似的电负性值，如S(χ＝2.58)，碳晶格(χ＝2.55)，可以增加活性位点和优化电子自旋密度。此外，更高的掺杂杂原子的电负性值，如N(χ＝3.04)，并降低掺杂杂原子的电负性能值，如P(χ＝2.19)，可提高电荷转移速率和提升电荷密度。在碳晶格中掺杂Fe(铁)的过渡金属原子有利于为氧的化学吸收提供一个价态交替空间，增强电活性位点。由于可控自组装掺杂的存在，涂覆交联聚合物的杂原子一维磁性纳米链的掺杂越来越受到人们的关注。这种掺杂方法的优点包括增加了特殊的表面积(SSA)，获得了高的展弦比和大的比电容。然而，由于磁块内部的非均匀偶极相互作用不强或不明显，当外场被移除时，原有的有序结构难以维持。由于很多掺杂方式复杂，如纳米结构模板的使用和需从外部掺杂金属原子，存在掺杂量无法控制和掺杂效率低等问题。因此，有必要提出一种简单的方法来合成均匀且本质上掺杂了金属和非金属原子的具有优良的电吸附性能的碳材料。

在针对流动电容去离子吸附电极的研究中，CN106044970A公开了一种基于流动电极电容去离子(FCDI)脱盐的方法及应用，利用商业活性炭混合炭黑导电剂制备流动电极液，利用集电器表面刻划的孔道中悬浮的碳材料作为电极，施加电压的条件下，电解液中的离子通过离子交换膜迁移，进入流动电极，被其中悬浮的碳材料吸附，从而达到脱盐的效果。该发明配制两杯总体积为250mL的流动电极，活性炭的质量分数比为14％，活性炭与炭黑的质量比为3:2，氯化钠电解液浓度为0.6mol/L，一杯充当阳极液，另一杯作为阴极液；节约了电极的制备成本。该反应装置具有结构简单、无需投加化学药剂、运行费用低、操作简单，易于实现自动化控制及在线监测，能耗低的有点。对于不同浓度的含盐废水， FCDI反应器较传统的CDI反应器具有更好的电吸附适应能力，相较于传统CDI 反应器，其脱盐率约可提高5～20％，脱盐速率可提高10％左右等优点。然而，石墨电极板材质较脆，且易磨损，同时石墨电极板和铜箔集流器的接触将增大接触电阻，电极液的分散不均匀也将增大电能消耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有流动电容去离子的电极材料无法实现高脱盐量、脱盐效率及速率和良好的稳定再生性的缺陷和不足，提供一种磁性纳米包覆交联聚合物碳电极材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种磁性纳米包覆交联聚合物碳电极。