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          中科院合肥所金屬鋅-空電池自驅動脫鹽應用獲新進展

          發表日期:2018-06-20 09:33文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

                 據中科院網2018年6月12日訊 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所環境與能源納米材料中心在生物質衍生氮摻雜多孔碳作為多功能電極材料在金屬鋅-空電池自驅動脫鹽應用研究方面取得新進展,相關研究發表在Chemical Engineering Journal(Chem. Eng. J. 334, 1270-1280 (2018))上。
            隨著全球人口的快速增長和水污染的加劇,淡水資源短缺日益引起人們的高度關注和重視。海水/苦咸水大約占地球上水資源總量的98%,所以對海水/苦咸水進行脫鹽處理是一種可行且有效的獲取淡水資源的方法。目前,常用的脫鹽方法包括反滲透、熱蒸發、電滲析和電容去離子(Capacitive Deionization, CDI)等。其中,電容去離子(CDI)技術利用在電極材料表面形成的雙電層來吸附水中帶電荷離子,從而達到鹽水淡化的目的。此技術不會造成二次污染且具有低能耗、低投資、低運行成本的優越性,還可利用可再生能源如太陽能、風能等進行驅動,是海水/苦咸水脫鹽獲取淡水資源的理想技術。然而當前廣泛使用的高效碳基CDI電極材料主要通過傳統化石燃料衍生物制備,無疑提高了其大規模生產應用的成本。
            為此,該課題選擇豐富、廉價、可再生的、含天然氮元素的豆莢作為原料,通過KHCO3輔助活化熱解的方法制備出具有多級開放孔結構的氮摻雜碳材料(N-doped Porous Carbon, NPC)。再將所得的氮摻雜多孔碳材料進一步進行磺化處理,得到磺酸功能化的多孔碳材料(S-NPC)。通過將所制備的S-NPC與氨化的活性碳(A-AC)分別作為電極材料組裝成CDI裝置,并用于脫鹽實驗。研究結果表明,對于40mg/L NaCl溶液,驅動電壓為1.2V時,平均鹽離子吸附量達到 15.5mg/g,平均吸附速率為0.44mg/(g·min)。與其它碳材料相比,S-NPC展示出更加優異的吸附性能,主要歸因于其高的比表面積(844.0m2/g)、多級開放孔結構及其表面功能化的磺酸基官能團協同作用。進一步改變NaCl溶液濃度為100、300、500和1000 mg/L時,相應的電容吸附量分別為27.8、28.4、36.6和43.3mg/g,表明生物質衍生的碳作為CDI電極材料具有很好的應用前景。同時由于所制備NPC材料實現了異原子(如氮)的摻雜,因此其還展示出優異的氧還原反應(ORR)性能,以其作為陰極催化劑構建的金屬鋅-空電池輸出電壓可達1.28V,基于此,將金屬鋅-空電池與CDI體系有機整合,利用鋅-空電池供電實現了高效CDI脫鹽應用(如圖所示)。此研究工作為將來能源整合的CDI脫鹽技術的實際應用提供重要的理論依據。

           

          (a) NPC-800組裝的鋅-空電池的開路電壓 (插圖為點亮的LED燈模型);(b) NPC-800組裝的鋅-空電池在不同電流密度的放電曲線和放電功率曲線;(c) 自制的鋅-空電池自供電CDI裝置脫鹽的照片;(d) 鋅-空電池驅動S-NPC組裝的CDI裝置脫鹽的循環穩定性。

          (a) NPC-800組裝的鋅-空電池的開路電壓 (插圖為點亮的LED燈模型);(b) NPC-800組裝的鋅-空電池在不同電流密度的放電曲線和放電功率曲線;(c) 自制的鋅-空電池自供電CDI裝置脫鹽的照片;(d) 鋅-空電池驅動S-NPC組裝的CDI裝置脫鹽的循環穩定性。


            該研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金及中科院百人計劃項目支持。

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