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基于钒基氧化物001晶面调控生长的纳米流体通道不对称电极的制备及其对废水重金属离子去除性能研究

基于钒基氧化物001晶面调控生长的纳米流体通道不对称电极的制备...

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作者：李本政吉林大学

学位级别：硕士

可用淡水资源的大量消耗和广泛污染需要不断寻找可持续的、具有成本效益和节能的技术来回收这种宝贵的维持生命的液体。基于这些核心点,电容去离子技术(CDI)已成为有希望代替反渗透技术、电渗析等技术的一种很有前途的处理技术,可通过... 详细信息

可用淡水资源的大量消耗和广泛污染需要不断寻找可持续的、具有成本效益和节能的技术来回收这种宝贵的维持生命的液体。基于这些核心点,电容去离子技术(CDI)已成为有希望代替反渗透技术、电渗析等技术的一种很有前途的处理技术,可通过非法拉第相互作用或法拉第相互作用从水溶液中去除离子或其他带电物质,目前正在积极探索水处理,特别是在海水淡化和重金属废水净化方面。CDI技术的关键性评价指标是去除容量,而去除容量是受到电极材料的直接影响。现在常用的CDI电极材料分为非法拉第电极材料和法拉第电极材料。非法拉第电极材料往往采用碳基材料,但是碳基材料存在去除容量差的问题,而法拉第电极材料因为法拉第原理可以具有很高的去除容量。因此本论文以法拉第电极材料为研究对象,以五氧化二钒单体为基本结构单元,通过改性制备了新型五氧化二钒·n水(VO·nHO)与五氧化二钒-聚苯胺(VO-PANI)阴极电极材料,并对电极材料进行的组成、结构、电化学性能进行探讨。论文的主要研究内容和结论如下:(1)以不锈钢网为生长集流体,VO为基本结构单元,通过采用简便绿色的水热方法制备了具有高度有序3D针刺结构、无粘结剂、水分子插层扩展的VO·nHO纳米刺材料,实现了将偶极分子结构水嵌入到VO的晶体结构中扩展其晶格间距的目的,同时形成一个有效的溶剂化壳层来屏蔽强极化特性的重金属离子嵌入所带来的电荷,以实现降低重金属离子的扩散势垒和增加重金属离子嵌入容量的构想。VO·nHO纳米刺材料拥有着快速的电子传输能力和10.17?的纳米流体通道为离子的高速运输和储存提供了优势。VO·nHO纳米刺材料被制备成电极并首次应用于CDI过程,在CDI过程中表现出了优异的电化学性能,在100 mg/L的Pb(NO)、1.2 V和10 m L/min的运行条件下VO·nHO的稳定脱盐量可达112.5 mg/g。(2)以VO为基本结构单元,通过采用简便绿色的水热方法制备了具有有序3D纳米花团簇结构的水分子和聚苯胺复合插层扩展的VO-PANI纳米花材料,实现了在水分子嵌入VO的晶体结构的基础上进一步引入柔性支柱聚苯胺提升晶格间距与降低重金属离子嵌入/嵌出应力,最终达到稳定增加重金属离子嵌入容量的构想。所制备的VO-PANI纳米花材料拥有着常规晶体材料难以拥有的14.4?的纳米流体通道,有利于重金属离子嵌入/嵌出。除此之外,VO-PANI纳米花材料中的共轭聚合物链聚苯胺分子不仅在氧化钒中的可逆掺杂过程允许多个离子参与电荷存储过程,而且还使晶体的结构具有灵活性,以减轻插层应力,从而提高循环稳定性。VO-PANI纳米花材料被制备成电极并首次应用于CDI过程,在CDI过程中表现出了优异的电化学性能,在150 mg/L的Pb(NO)、1.2 V和10 m L/min的运行条件下VO-PANI的稳定脱盐量可达172.13 mg/g。

关键词：钒基氧化物 001晶面法拉第电容去离子废水处理纳米流体通道

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