纳微孔掺杂碳材料的结构优化及其在离子选择性电吸附领域的应用

For the utilization of salt lake resources, the capacitive deionization (CDI) technology will be studied due to its advantages like high efficiency and low power consumption, but the ion selectivity in a CDI progress has not yet been fully exploited. We will use some nitrogen-containing carboxyl molecules such as EDTA as carbon precursors, these CO2 bubbles produced in thermal decomposition leading to the macropore formation, use some volatile molecules to achieve micro- and meso- pores, and also control carbonization conditions. Thus we will obtain a serial of hierarchical pore structures. Moreover, the doping N atoms retained on the carbon skeleton will produce the interaction with metal ions. By the difference in the ion valence, the size matching degree between metal ion and pore, and the interaction between the doping N and metal ion, these hierarchical carbon materials will achieve the selective adsorption of ions. This project will not only help to promote the study on the structure-activity relationship, but also provide new CDI electrode materials for the effective utillization of salt lakes.

西部盐湖中各种金属离子混杂，成分复杂，分离难度大。电吸附作为脱盐方式的一种，具有效率高、能耗低的优点，但是其潜在的离子选择性吸附与分离的潜力尚未充分利用。申请人拟采用EDTA等多羧基含氮分子作为碳材料前驱体，利用分解生成的CO2气泡制造大孔，利用卤化铵（如NH4Cl）等挥发性分子实现扩孔，通过过渡金属离子调控碳化过程，进而实现对孔结构的调控。同时，保留碳骨架上的N原子实现纳米碳材料的氮掺杂。利用溶液离子中金属价态、孔尺寸与溶剂化金属离子尺寸的匹配性以及金属离子与骨架N相互作用力三者的不同，实现多孔纳米碳材料对溶液中离子的选择性吸附。本研究不但将有助于推动纳微孔掺杂碳材料的构效关系研究，也将为盐湖资源的有效利用提供新的材料学基础。

电吸附技术是近年发展起来的一种新型水处理方法，其应用领域涉及工业废水处理、苦咸水淡化、海水脱盐等。碳材料作为电吸附电极受到了广泛关注。但目前电吸附容量有待提高，也缺少对电吸附选择性的研究。本研究从碳材料的控制合成入手，开发新的合成方法，通过改变造孔剂、活化剂、掺杂源等技术手段，制备出多种比表面积、孔结构、表面组成可调的新型碳材料。选用盐湖常见金属离子（Na+、Mg2+、Fe3+、Co2+、Ni2+等）作为目标，对其电吸附性能进行评价。通过对碳材料的组成结构、电化学性质、电吸附性能的综合研究，筛选出4类电吸附电极材料：分别来源于EDTA、PVDC、PVC废旧塑料、柠檬酸的掺杂型多孔碳。它们都具备多级孔结构（10 nm以下的纳微孔居多）、大比表面积（700~2200 m2/g）、高掺杂量，以及好的超电容性能（中性溶液中180~240 F/g）。它们的电吸附容量高（>30 mg/g），离子去除率大（>50%），再生能力好，电吸附容量超过目前大多数文献报道。4类碳材料实现了对不同金属离子的选择性电吸附，离子价态、水合半径、半径和碳材料孔结构匹配度、电子结构、离子与掺杂元素之间作用力等因素决定了选择性。通过对组成结构与电吸附性能内在关联的探讨，揭示出碳材料的孔结构、比表面积、杂原子掺杂、比电容值等特征与电吸附性能的相互关系。本研究不但有助于发展碳材料的合成路线，制备具有工业价值和适应盐湖资源有效利用的电吸附电极，实现对金属离子的选择性吸附，而且也提供了材料的构效关系规律，为获得高效稳定的电吸附电极材料提供了科学基础。尤其是基于PVC废旧塑料开发的一类碳材料，不仅具有较高的比电容值、较大的电吸附容量和较好的离子选择性，而且实现了白色污染物的处理和再利用。基于以上研究结果，发表 SCI 收录论文 17 篇；申请国家发明专利 7项，其中2 项获得授权；毕业研究生 8 名。