[发明专利]三维铁氰化铜复合聚吡咯/聚乙烯醇导电水凝胶材料制备方法及应用

说明书

本申请利用液氮冷冻解冻法制备了一种三维铁氰化铜复合聚吡咯/聚乙烯醇导电水凝胶材料制备方法及应用，能够有效提高电池行为钠离子嵌脱式电极材料的长循环稳定性及材料利用率。结果表明，CuHCF@PVA/PPy中的PPy能够有效提高CuHCF颗粒的导电性同时为CuHCF颗粒生长提供位点从而限制颗粒大小，提高材料的利用率；此外，复合水凝胶的三维多级孔道网络能够有效缓解CuHCF颗粒堆叠且加快电解质的快速传输；并且合成的材料具有优异的机械性能，可以有效缓解材料在充放电过程中颗粒间生成的应力并且抵抗水流对电极材料的冲刷、破坏，增强材料的长循环稳定性。脱盐测试表明，随着截止电压范围的增加，CuHCF@PVA/PPy材料的脱盐容量、脱盐速率及脱盐能耗均呈递增趋势。

技术领域

本发明属于能源电化学技术领域，涉及一种三维铁氰化铜复合聚吡咯/聚乙烯醇导电水凝胶材料的制备及其在杂化电容去离子技术中的应用。

背景技术

着人口和经济增长，人均耗水量及需求量不断上升。且由于气候变化和污染造成的供水减少，水危机日益严重。此外，相关统计数据表明、湖泊、河流和蓄水层中捕获的“常规”水源(例如降雨、融雪和河流径流)已不足以满足缺水地区人类的需求。如，全球40％的人口面临严重的水资源短缺，到2025年该比例将上升到60％。目前全球有66％的人口(40亿)每年至少有一个月的时间生活在严重缺水的状况下。

缺水国家对水资源计划和管理进行了重新思考，并开发诸多创造性的可适应气候变化和可持续发展的措施。然而，尽管些许方法，如节水和提高效率等，可以在某种程度上缩小水的需求和供应缺口，但这些方法必须与增加供水策略相结合，以长期应对并解决水资源短缺的问题。在增加供水的选择中，海水和苦咸水的脱盐受到了最广泛的关注，并且越来越被认为是满足家庭和市政需求的可行选择。因为海水脱盐可以使水供应超出水文循环所能提供的用量，从而提供“无限”、不受气候影响和稳定的高质量水供应。脱盐技术是从盐水中去除盐分以生产出满足人类不同用途水的过程。

针对饮用水资源短缺的问题，目前最常用的方法是将不可直接引用的苦咸水或海水进行净化，从而缓解淡水资源紧缺的危机。其中杂化电容去离子技术因其能耗低、操作简单、无二次污染等优势得到广泛关注。

杂化电容去离子技术(HCDI)是指在电极两端加外部电压，使阴阳离子在静电场的作用下向带相反电性的电极移动，其中钠离子通过法拉第反应被嵌入在钠离子嵌脱式负极材料上，氯离子形成简单的双电层吸附在材料表面，从而达到海水或苦咸水脱盐的目的。可通过反接电源实现材料的再生利用。

其中普鲁士蓝类似物(Prussian blue analogs(PBAs))钠离子嵌脱式电极材料具有高脱盐容量、高去除速率、低能耗的优势，其开放的晶体结构，较大的离子传输通道使得其在CDI应用上也有广阔的前景。但是，PBAs在CDI应用中稳定性较差。首先，PBAs晶体结构中的Fe-CN-M在反应中易被破坏，这是因为在钠离子嵌脱过程中，存在着的大量Fe(CN)₆缺陷造成的^[98,99]；此外，PBAs的一般制备方法为简单化学沉淀法，该方法制得的纳米颗粒易堆叠在一起，使得钠离子传输距离变长，从而造成吸附速率低的问题；并且，在CDI脱盐过程中，由粘结剂制得的电极材料难以抵抗水流冲刷，使得材料脱落，不仅造成材料破坏，而且脱落的材料极易进入脱盐水中，从而造成水质污染。因此，急需一种新型的电极材料可以提高材料的宏观和微观稳定性，并提高材料脱盐性能。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的第一个目的是提供上述铁氰化铜复合聚吡咯/聚乙烯醇(CuHCF@PVA/PPy)的三维水凝胶的制备方法。

本发明的另一目的为了解决铁氰化铜材料(铜基普鲁士蓝类似物)在宏观和微观条件下长循环稳定性差的问题，提供了一种聚吡咯/聚乙烯醇包覆的三维导电水凝胶材料。一种能够有效提高电池行为钠离子嵌脱式电极材料的长循环稳定性及材料利用率的材料。