氮硫掺杂炭气凝胶的制备与电吸附性能

摘要

由于淡水资源欠缺成为了阻碍当今社会经济快速发展的重要因素，所以近年来各种脱盐技术的研究火热进行。其中，电吸附脱盐(CDI)技术成为一种新一代的绿色脱盐技术。CDI技术是由外加电作为推动力，使其内部流过的盐溶液中的离子成定向运动进入多孔电极材料内，并以双电层(EDL)的形式储存于电极材料内。其作为一种绿色可再生的脱盐方法，拥有很重要的发展潜力。而对于CDI技术的发展，寻找一种能够快速脱盐的电极材料是至关重要的。
　　本论文以氧化石墨烯(GO)、间苯二酚(R)、甲醛(F)和硫脲(T)为原材料，碳酸钠(C)为催化剂采用溶胶-凝胶法合成出有机气凝胶材料。再通过高温炭化最终形成炭气凝胶，制造出含有S、N两种杂原子的炭气凝胶材料。实验过程中通过改变硫脲(T)的加入量和高温炭化的温度来研究材料性能的变化。结果表明:当加入硫脲(T)与间苯二酚(R)的比例为0.2∶1，炭化温度为800℃时，所得材料的性能较好，其在1mA电流下的比电容可达182.95 F/g。将TRF-0.2用作电吸附的电极材料，在电压1.2V、NaCl溶液浓度800 mg/L时的吸附能力可到18.35 mg/g。说明该材料用作CDI具有一定的使用价值。
　　同时，我们还对电吸附(CDI)和膜电吸附(MCDI)装置的一些操作条件进行试验对比。实验发现MCDI装置在1.2V条件下对NaCl的吸附量可达到37.16 mg/g。将材料进行不同离子盐溶液的电吸附实验，发现该材料对不同离子盐溶液的电吸附选择性主要与其离子水合半径有关，离子水合半径较小，被吸附的较多。最后还分析了CDI和MCDI装置的电流效率及能耗。跟着电压的增加电吸附装置的电流效率逐步减弱，能耗逐步增多。
　　通过以上实验，我们制备了TRF电极材料进行电吸附实验，并研究了CDI和MCDI技术的操作条件以及设备参数对吸附效果的影响，为解决淡水资源短缺提供一些理论依据和现实基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 现有脱盐技术概述

1．1．1 热脱盐技术

1．1．2 膜脱盐技术

1．1．3 混合海水淡化

1．1．4 其他商业技术

1．1．5 配套技术

1．2 (膜)电吸附脱盐技术的原理及研究进展

1．2．1 (膜)电吸附脱盐技术原理

1．2．2 (膜)电吸附脱盐技术研究进展

1．3 电吸附电极材料

1．3．1 活性炭(AC)

1．3．2 活性炭布(ACC)

1．3．3 有序介孔炭(OMC)

1．3．4 炭气凝胶(CA)

1．3．5 硬质合金衍生炭(CDC)

1．3．6 碳纳米管(CNTs)

1．3．7 石墨烯

1．3．8 炭黑(CB)

1．4 课题的研究意义和研究内容

1．4．1 本课题的研究意义

1．4．2 本课题的主要研究内容

第二章 实验方法

2．1 实验药品

2．2 测试仪器

2．3 材料表征测试方法

2．3．1 通用表征

2．3．2 电化学性能表征

2．3．3 电吸附测试

第三章 S、N双掺杂石墨烯炭气凝胶的制备与表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 氧化石墨烯(GO)的制备

3．2．2 硫、氮双掺杂的炭气凝胶的制备

3．2．3 电化学测试和电吸附电极的制备

3．2．4 电吸附测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 氧化石墨烯和硫氮双掺杂炭气凝胶的表面形貌结构分析

3．3．2 凝胶材料的交联反应

3．3．3 材料的热解过程

3．3．4 凝胶材料的X射线光电子能谱(XPS)分析

3．3．5 凝胶材料的微观结构分析(BET)

3．3．6 复合电极材料的电化学性能分析

3．3．7 复合电极材料的电吸附性能分析

3．4 本章小结

第四章 CDI与MCDI装置脱盐性能对比

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．4 电吸附测试

4．3 结果与讨论

4．3．2 CDI、MCDI装置对不同浓度NaCl溶液的电吸附结果对比

4．3．3 不同离子

4．3．4 吸脱附实验

4．3．5 能耗分析

4．4 本章小结

第五章 论文的主要结论及工作展望

5．1 论文的主要结论

5．2 本课题的工作展望

参考文献

致谢

发表及已接受文章

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