[发明专利]一种Bi/MOF衍生多孔碳球复合材料及其制备方法、应用

说明书

本发明涉及电化学脱盐技术领域，为解决传统含Bi的CDI电极材料在电容去离子中脱盐量、倍率性能和循环稳定性较低的问题，提供了一种Bi/MOF衍生多孔碳球复合材料及其制备方法、应用，所述Bi/MOF衍生多孔碳球复合材料由N掺杂MOF衍生多孔碳球表面负载纳米级金属Bi颗粒制得。本发明的Bi/MOF衍生多孔碳球复合材料通过MOF衍生碳上锚定纳米级别的金属Bi颗粒，可以有效的缓解在氧化还原过程中的Bi的体积膨胀问题，增强了电极材料的稳定性，并减轻了电极粉化现象；制备过程简易，原料来源广泛，价格低廉，生产成本低，易于产业化。

技术领域

本发明涉及电化学脱盐技术领域，尤其涉及一种Bi/MOF衍生多孔复合材料及其制备方法、应用。

背景技术

目前，随着全球范围类的人口急剧增长，人类正面临着对淡水需求量激增等问题。全球98%以上的水资源都是不可被直接利用的海水或苦咸水，研究人员通过对海水淡化技术的研究，来解决淡水资源问题是非常有前景的发展方向。近些年，反渗透、热蒸馏和电渗析等技术都已得到不断开发，可以在工业规模上有效地淡化海水。然而，这些技术的高昂的设备成本与高能耗阻碍了其可持续化发展。随着社会发展与需求，迫切需要开发一种能耗低、成本低、易小型化和环境友好的新型脱盐技术。

电容去离子（CDI）作为新兴的海水淡化技术，它具有环境友好和能耗低、小型化等优点。与传统的热蒸馏和反渗透、电渗析技术不同，CDI技术可直接在低可逆电压(通常小于2V)下去除水中的盐离子，而不需要高温高压等条件。因此具有低能耗，环境友好和低经济成本等优点。

CDI技术的基本原理是将电场施加到两个平行相对的多孔电极两端，溶液中的阴阳离子在电场作用下定向移动，在电极和电解液界面处形成双电层并存储在电极材料中，从而去除溶液中的盐离子，实现海水淡化。当吸附达到饱和，将电极短路或者施加反向电压，电极材料储存的阴阳离子重新返回溶液中实现电极的再生。

现如今，为了进一步提高CDI技术的脱盐能力，依赖于开发和设计新的电极材料，以满足海水淡化应用的实际需要。一般来说，CDI电极材料应具有高导电性、良好的浸润性、高比表面积和较窄的孔径分布等特点。在传统的CDI电极材料中，阳极和阴极是相同的多孔碳材料（例如活性碳，介孔碳，气凝胶，碳纤维和碳布等）。基于双电层原理，带电的阴离子和阳离子通过电吸附机制分别存储在材料表面。随着对CDI技术的不断深入研究，研究人员发现法拉第电极材料具有高脱盐性能等优点。法拉第材料的反应机理为阴离子或阳离子与电极材料发生氧化还原反应，嵌入到电极材料的晶格或者通过化学键存储在电极材料中。

目前，用于储钠的法拉第电极材料主要包括金属氧化物和硫化物等，用于储氯的法拉第电极材料主要有金属铋和金属银。但是这些法拉第电极材料普遍存在的问题是材料导电性与亲水性较差，在电容去离子的循环过程中活性材料会发生体积膨胀，破坏结构完整性，导致材料稳定性和倍率性能较差。因此提高此类法拉第材料的导电性、循环性和倍率性能成为改善此类材料电化学性能的重要研究方向。

混合电容去离子系统（HCDI），一侧使用传统的碳电极材料，一侧利用法拉第电极材料，在电极两端施加恒定电流取代传统的恒压模式，在水分解电压范围内（-1.4~1.4V），进行电容去离子应用。恒流充电时，氯离子通过电解质与负极材料发生反应达到脱盐的目的，电子补偿到正极确保溶液中的电荷平衡；恒流放电时电子回到负极确保电荷平衡，负极电极材料失去电子发生氧化反应，氯离子从负极脱出实现电极材料的循环再生。此类系统较传统CDI技术具有脱盐容量高的优点。