[发明专利]一种碳包覆钠超离子导体Na3

说明书

本发明涉及一种碳包覆钠超离子导体Na₃Fe₂(PO₄)₃/C复合材料及其制备方法和应用，属于水处理技术领域。一种碳包覆钠超离子导体Na₃Fe₂(PO₄)₃/C复合材料的制备方法，将硝酸钠、硝酸铁和磷酸二氢铵按摩尔比为3:2:3溶于水后，加入过量的柠檬酸，蒸干水后，干燥，得到固体中间产物；将固体中间产物在惰性气氛下以1～10℃min^‑1的升温速率升至600～800℃，煅烧12h，得到碳包覆钠超离子导体Na₃Fe₂(PO₄)₃/C复合材料。本发明采用简单的溶胶凝胶‑共热法，制备得到了碳包覆的Na₃Fe₂(PO₄)₃/C复合材料，将Na₃Fe₂(PO₄)₃碳包覆后，显著增强了材料的电导率，提高Na₃Fe₂(PO₄)₃与钠离子的法拉第反应活性。

技术领域

本发明涉及一种碳包覆钠超离子导体Na₃Fe₂(PO₄)₃/C复合材料及其制备方法和应用，属于水处理技术领域。

背景技术

随着人口的快速增长，全球气候的恶化，淡水资源的短缺越来越严重。尽管地球上水资源丰富，但其中有96.5％是以海水及苦咸水的形成存在，而淡水资源只占到地球总水量的2.5％。且在这些淡水资源中，有68.7％分布在两极冰川及高海拔的地区，难以取用，仅有少部分的河流湖泊及地下水供人们使用。为缓解淡水危机，一个行之有效的策略是将海水及苦咸水转化为淡水，因此，寻找一种高效，低成本和环境友好的海水净化方法势在必行。

电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)在低或者中等的盐水中具有高的脱盐效率，低的成本和环境友好等优点受到了越来越多的研究者关注。传统的CDI是通过双电层原理进行脱盐的，且脱盐性能很大程度上取决于其电极材料。理想的CDI电极材料应具有大的比表面积，高的电导率，合适的孔径分布及优异的化学及物理稳定性。通常，碳材料包括活性炭、石墨烯和有序介孔碳等被广泛应用于CDI电极材料。但在人们研究过程中发现，当以碳材料为CDI电极时，受限于可供离子吸附的比表面积和同名离子排斥效应等因素，存在脱盐量及循环再生性能无法达到规模化应用的需求。为解决这个问题，基于法拉第反应原理脱盐的法拉第电极材料应运而生。法拉第电极材料因不受可供离子吸附的比表面积和同名离子排斥效应的影响，不仅具有大的离子脱除容量，还具有优异的循环稳定性。因此，进一步发展新型法拉第电极材料成为当前CDI研究的工作重点。

近年来，NASICON(钠超离子导体)凭借其较大的理论容量、稳定的三维框架和较大的钠离子通道被广泛应用与钠离子电池方面。在充放电过程中，钠超离子导体可以提供快速的离子扩散通道，和具有较小的体积膨胀，同时，其还具有高的离子电导率，这些特点使得钠超离子导体是可作为杂化CDI电极的。而这些钠超离子导体中，Fe基钠超离子导体，比如Na₃Fe₂(PO₄)₃因其比NaTi₂(PO₄)₃具有更高放电平台电势，而获得更高的能量密度。同时，QIU等研究了Na₃Fe₂(PO₄)₃作为水系钠离子电池电极材料时，获得了高的比容量，进一步证明其在水系条件下的储钠特性。然而，Na₃Fe₂(PO₄)₃作为杂化CDI电极的研究还未见到报道。

发明内容