層狀化合物電極材料的制備與電吸附性能研究

電吸附法是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型水處理技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及工業(yè)廢水處理、苦咸水淡化、海水淡化等多個(gè)方面。電極材料是決定電吸附技術(shù)除鹽效果、能耗高低、處理周期長(zhǎng)短等指標(biāo)的關(guān)鍵，理想的電極材料應(yīng)該具有較大的比表面積、較好的離子吸/脫附性能、較高的導(dǎo)電性、優(yōu)良的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性。本研究針對(duì)高性能電吸附電極材料的設(shè)計(jì)合成開(kāi)展工作，首先將層狀化合物（水滑石、鈦酸鹽）負(fù)載于導(dǎo)電基底（泡沫鎳、多孔碳）上，合成出系列層狀化合物電極材料，包括泡沫鎳基鎳鋁水滑石、鎳鈦水滑石、Ni0.5Co1.5(OH)4多級(jí)納米線陣列、鎳鋁水滑石/碳納米管復(fù)合材料、鈦酸鹽陣列以及多孔碳基鈦酸鹽陣列等。之后，合成出系列多孔碳電極材料，包括葡萄糖基氮摻雜介孔碳、氮摻雜碳包覆氧化石墨烯的多孔復(fù)合材料、EDTA基多孔碳。通過(guò)合成條件和電吸附除鹽工藝的優(yōu)化，獲得了多種具有高比表面積、豐富孔結(jié)構(gòu)、高比電容值、大電吸附容量和優(yōu)良再生能力的層狀化合物電極材料和碳電極材料，其中泡沫鎳基鎳鋁水滑石電極對(duì)Cl-的電吸附容量達(dá)到81.2 mg/g，而EDTA基多孔碳電極對(duì)Na 的電吸附容量達(dá)到34.27 mg/g，它們超越了目前報(bào)道的大部分電吸附電極材料，且能夠?qū)崿F(xiàn)電極的完全再生，多次循環(huán)穩(wěn)定。最后，探討了層狀化合物電極材料和碳電極材料的組成結(jié)構(gòu)、超電容性能和電吸附性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和規(guī)律，研究了新型電極材料的生成機(jī)理，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)高容量、循環(huán)穩(wěn)定的電吸附電極材料提供理論和實(shí)驗(yàn)支持?；谝陨涎芯浚l(fā)表SCI收錄論文10篇，獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)2項(xiàng)，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)。

電吸附水處理技術(shù)近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注，而電極材料是決定電吸附性能的最重要因素之一。針對(duì)常見(jiàn)碳材料電極的親水性差、吸附能力有限、選擇性低、易受污染物中有機(jī)質(zhì)影響等問(wèn)題，尋求新型高性能電極材料具有十分重要的意義。本項(xiàng)目擬合成一類(lèi)新型的層狀化合物電吸附電極材料，將層狀氧化物和氫氧化物（鈦酸鹽、鎳基水滑石）負(fù)載于導(dǎo)電基底（泡沫鎳、多孔碳）上，利用其特殊的層狀結(jié)構(gòu)、高比表面積、孔道結(jié)構(gòu)、層板帶電荷以及大電容等性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)電極材料在吸附容量、穩(wěn)定性、選擇性和污染物深度處理等方面的性能提高。將采用多種測(cè)試手段對(duì)電極材料的組成、結(jié)構(gòu)、表面特征、電化學(xué)性質(zhì)、電吸附性能等進(jìn)行表征，研究合成條件、材料的組成結(jié)構(gòu)與電吸附性能之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，優(yōu)化新型電吸附電極材料的結(jié)構(gòu)，完善合成工藝，探討新型電極除鹽的吸附機(jī)理。

本項(xiàng)目以高性能儲(chǔ)能材料為導(dǎo)向，擬以多孔碳薄膜和納米線陣列作為導(dǎo)電聚合物聚苯胺的載體，開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單有效的方法直接在集電極上制備超級(jí)電容器復(fù)合電極材料。電極材料直接生長(zhǎng)到集電極上，可以簡(jiǎn)化超級(jí)電容器電極制備步驟，并能有效降低電容器的內(nèi)阻。復(fù)合材料的多孔碳支架能夠均勻承受聚合物在充放電過(guò)程中的應(yīng)力，保證了電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性；將導(dǎo)電聚合物自組裝到多孔碳的孔道中，可以提高多孔碳的導(dǎo)電性，從而改善電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性。通過(guò)優(yōu)化有序多孔碳薄膜和納米線陣列的制備工藝、聚合物在多孔碳孔道中的自組裝工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料的形貌、組成和結(jié)構(gòu)的調(diào)控。研究所制備復(fù)合材料的充放電容量、充放電特性和循環(huán)穩(wěn)定性；探索復(fù)合材料的形貌、組成和結(jié)構(gòu)等因素對(duì)超級(jí)電容器性能的影響，為開(kāi)發(fā)具有高比電容、高比功率、高比能量和高循環(huán)穩(wěn)定性的超級(jí)電容器電極材料提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

本書(shū)共9章，主要介紹了熱電材料的現(xiàn)狀、制備方法、高壓合成理論介紹、熱電性能測(cè)試方法以及不同種類(lèi)的材料制備和性能研究等內(nèi)容。

本書(shū)具有較強(qiáng)的知識(shí)性和針對(duì)性,可供材料科學(xué)與工程、熱電材料、環(huán)境工程等領(lǐng)域的科研人員、技術(shù)人員和管理人員閱讀，也可供高等學(xué)校材料科學(xué)與工程、環(huán)境工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的師生參考。

本項(xiàng)目以介孔碳納米線陣列為導(dǎo)電聚合物聚苯胺的載體，制備出了聚苯胺/介孔碳納米線復(fù)合電極材料，通過(guò)優(yōu)化有序多孔碳納米線陣列的制備工藝、聚合物在多孔碳孔道中的自組裝工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料的形貌、組成和結(jié)構(gòu)的調(diào)控。聚苯胺/介孔碳納米線復(fù)合電極材料的介孔碳支架可以均勻承受聚合物在充放電過(guò)程中的應(yīng)力，保證了電極材料的穩(wěn)定性，而聚苯胺可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，從而改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性。這一工作為開(kāi)發(fā)具有高性能的超級(jí)電容器電極材料提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。 在本項(xiàng)目的資助下，我們還對(duì)無(wú)機(jī)功能材料的制備及性能開(kāi)展卓有成效的研究。以晶態(tài)鈦醇鹽（TG）為前驅(qū)體，通過(guò)光驅(qū)動(dòng)的固相轉(zhuǎn)化途徑，首次制得了碳摻雜的多孔C-TiO2，其表現(xiàn)出了較高的可見(jiàn)光催化活性；利用同樣的光驅(qū)動(dòng)方法，制備出了多級(jí)結(jié)構(gòu)銳鈦礦二氧化鈦，所制備的二氧化鈦表現(xiàn)出優(yōu)良的儲(chǔ)鋰性能；我們通過(guò)金屬Zn蒸汽與質(zhì)子化的分子篩反應(yīng)制備出了Zn 改性的Y型分子篩，可以在較溫和的條件下（350度）將CO2分解成C和O2；通過(guò)簡(jiǎn)單溶劑熱方法合成出了具有空心和實(shí)心球形結(jié)構(gòu)的Pd/Fe3O4磁性納米復(fù)合材料，其在常溫常壓催化加氫等反應(yīng)中的較高催化性能。開(kāi)發(fā)了一種鈉熱法，在較低溫度下制備出了一種具有高比表面積的無(wú)定形多孔硅，這種多孔硅表現(xiàn)出很好的電化學(xué)電容行為。 以上工作共發(fā)表SCI收錄論文5篇，申請(qǐng)專(zhuān)利1項(xiàng)，培養(yǎng)博士生1名（在讀）和碩士生2名（畢業(yè)1名）。 2100433B