PANI/α-ZrP复合膜电极在含镍水溶液中的电控离子交换性能

摘要

有机/无机杂化材料兼具二者优势在新材料领域引起人们的广泛关注，其中，有机/无机电活性材料由于其特殊的电子-离子混合导体性质在新技术领域有着广阔的应用前景，尤其是近年来根据其离子交换性能发展起来的新型电化学控制离子交换(Electrochemically Switched Ion Exchange，ESIX)技术因在废水处理中的环境友好和高效性成为人们研究的热点。我们的工作是对电活性PANI/α-ZrP复合膜材料的制备及其ESIX性能研究。
　　 将回流法和水热法所得不同α-磷酸锆(α-ZrP)与苯胺混合后，采用单极脉冲电沉积制得铂基体电活性聚苯胺/α-磷酸锆(PANI/α-ZrP)复合膜材料。借鉴前人研究成果分析了复合膜的复合机制、组成结构、电控离子交换(ESIX)机理，通过循环伏安法考察了膜材料的氧化还原电活性，采用X射线衍射仪(XRD)分析比较了磷酸锆的类型及复合后结构变化，借助扫描电镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)研究比较了膜材料的表面形貌及组成，并结合X射线能谱仪(EDS)及X射线光电子能谱仪(XPS)测定比较了膜材料在氧化、还原状态的元素组成。结果表明，单极脉冲电沉积可制得以带正电PANI和带负电α-ZrP之间静电吸引作用来进行杂化复合的电活性PANI/α-ZrP离子交换功能材料;不同于单一PANI、α-ZrP膜材料，PANI/α-ZrP复合膜在中性Ni2+水溶液中具有良好氧化还原电活性，可望通过改变膜电极的氧化还原态调控Ni2+置入与释放来实现ESIX过程;通过性能对比得知，回流法制备α-ZrP方法简单、产量大，由其所得复合材料导向性高且电化学性能良好更适合用作PANI/α-ZrP复合材料的原材料。
　　 在此基础上，将采用回流法获得的α-ZrP材料与苯胺单体混合在铂基体上单极脉冲电沉积制得PANI/α-ZrP复合膜材料。通过循环伏安法(CV)考察了不同制备参数影响及膜材料传递动力学性能，采用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)及X射线衍射仪(XRD)分别分析了膜材料的组成及不同苯胺浓度对膜材料结构的影响，借助电化学石英晶体微天平(EQCM)技术通过阶跃图及金属阳离子Ni2+的吸、脱附质量变化研究了其ESIX性能，结合X射线光电子能谱仪(XPS)测定了膜材料在氧化、还原状态的元素组成。研究获知，单极脉冲电沉积PANI/α-ZrP复合膜电极优化后的制备参数为:脉冲电压3.5V，脉冲次数700，苯胺浓度0.02 mol/L，其中，对苯胺浓度的调节还可实现对复合膜微观结构的调控;PANI/α-ZrP复合膜在相同条件下对Ni2+交换容量大，且在还原过程中质量增大对应于Ni2+的置入，氧化过程质量减小对应于Ni2+的释放，加之其良好的离子、电子传递性能，可望用作电控离子交换材料来分离回收废水中的Ni2+;与传统离子交换相比，在电位推动力作用下，PANI/α-ZrP复合膜可在缩短40％时间内达到75％的离子吸附量，同时其离子去除率显著提高。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 导电聚合物聚苯胺

1．1．1 导电聚合物简介

1．1．2 导电聚合物分类

1．1．3 导电聚苯胺的结构及掺杂机制

1．1．4 导电聚苯胺的制备方法

1．1．5 导电聚苯胺的应用

1．2 无机层状金属磷酸盐α-磷酸锆

1．2．1 α-ZrP的结构

1．2．2 α-ZrP的制备方法

1．2．3 α-ZrP性质及应用

1．3 有机／无机杂化材料

1．3．1 有机／无机杂化材料简介

1．3．2 有机／无机杂化材料的制备方法

1．3．3 有机／无机杂化材料的性能及应用

1．4 电化学控制离子交换(ESIX)

1．4．1 电化学控制离子交换(ESIX)机理

1．4．2 电化学控制离子交换(ESIX)过程及特点

1．4．3 电化学控制离子交换(ESIX)膜材料

1．4．4 电化学控制离子交换(ESIX)研究进展

1．5 课题研究意义及主要工作

1．5．1 研究意义

1．5．2 主要工作

第二部分 实验部分

2．1 试剂与仪器

2．2 实验条件

2．3 α-ZrP及PANI／α-ZrP复合膜的制备

2．3．1 电极预处理

2．3．2 α-ZrP及PANI／α-ZrP复合膜的制备

2．4 分析测试方法

2．4．1 循环伏安法(CV)

2．3．2 计时库仑法

2．3．3 X射线衍射(XRD)分析

2．3．4 X射线能谱(EDS)分析

2．3．5 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．3．6 傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析

2．3．7 电化学石英晶体微天平(EQCM)

第三章 不同电活性PANI／α-ZrP复合材料及其离子交换性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 电极预处理

3．2．2 α-ZrP及PANI／α-ZrP膜电极的制备及性能实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 复合机制及结构

3．3．2 复合材料电控离子交换机理

3．3．3 复合材料XRD分析

3．3．4 膜电极的组成

3．3．5 膜电极的电化学行为

3．3．6 复合膜材料形貌及EDS谱图分析

3．3．7 复合材料XPS谱图分析

3．4 小结

第四章 电聚合PANI／α-ZrP复合膜在含镍水溶液的离子交换性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 电极预处理

4．2．2 α-ZrP及PANI／α-ZrP膜电极的制备及性能实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 脉冲电压对PANI／α-ZrP复合材料的循环伏安性能影响

4．3．2 脉冲次数对PANI／α-ZrP复合材料的循环伏安性能影响

4．3．3 阳离子种类对PANI／α-ZrP复合材料的循环伏安性能影响

4．3．4 苯胺浓度对PANI／α-ZrP复合材料循环伏安性能、XRD图谱的影响

4．3．5 扫速对PANI／α-ZrP复合材料的循环伏安性能影响

4．3．6 PANI／α-ZrP复合材料的组成分析

4．3．7 PANI／α-ZrP复合材料在含镍水溶液的阶跃图分析

4．3．8 PANI／α-ZrP复合材料对镍水溶液中镍离子的吸、脱附曲线分析

4．3．9 PANI／α-ZrP复合材料XPS谱图分析

4．4 小结

第五章 结论、创新点及展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文