基于一体化纳米碳纤维复合电极-离子交换膜的强化膜电容去离子研究

Obtaining large-scale preparation method of high-performance electrode and ion-exchange membrane at low cost, and figuring out the enhanced desalination mechanism of electrode-membrane, is of great significance for developing membrance capacitive deionization technology (MCDI) with low energy-comsuption and high water-recovery. In this project, hybrid carbon nanofibers electrodes containing carbon nanotubes are fabricated by using electrospinning, and their nano-porous structure and capacitance can be adjusted by changing the conditions of electrospining, modification, carbonization and activation processes; electrospun ion-exchange membrane is designed to be coated on the surface of the nanocarbon electrode to prepare a intergrate electrode-membrane module, and then an MCDI process based on the intergrate module is investigated. The study will focus on the internal effect machanism of porous structure and wettability on capacitance and desalination performance as well as the desalination mechanism of MCDI based on electrode-membrane module and its enchaned desalination pathway. The project may provide a new idea on large-scale preparation of electrode and membrane, and a new MCDI process based a intergrate electrode-membrane module, so it is helpful to guide the development of desalination technologies.

研究高性能多孔纳米碳复合电极-离子交换膜的低成本规模化制备方法和电极-膜的脱盐性能强化机制，对开发低能耗、高产水率的膜电容去离子脱盐技术具有重要理论指导意义。本项目拟利用静电纺丝制备碳纳米管掺杂的纳米碳纤维电极，利用修饰、纺丝和碳化条件调控纳米碳材料分级孔道结构和电容性能，同时在碳电极上利用静电纺丝涂覆离子交换膜，制备复合纳米碳电极-离子交换膜，研究了一种基于一体化多孔纳米碳复合电极-离子交换膜的膜电容去离子方法。项目重点研究材料制备条件对孔结构特性、润湿性和电极电容性能的影响及调控手段，材料孔结构特性等物理性能对电极电容、脱盐性能的内在影响机制及强化途径，电极-膜对MCDI脱盐性能的强化机制等等。通过项目研究，提供了一种规模化制备电极-膜的新思路和可能获得一种基于一体化电极-膜的膜电容去离子方法，对开发低成本、高产水率脱盐技术提供基础支撑。

利用脱盐技术对一些难以利用水资源（如海水和废水等）进行脱盐利用，是当前解决水资源短缺的可行方法。电容去离子技术（CDI）具有能耗低、操作方便、环境友好等优点而受到关注。CDI的瓶颈是缺乏高比电容、良好稳定性和极化性的电极，同时脱盐稳定性较差。本项目利用静电纺丝技术制备了高电容性能的复合纳米碳电极，首次在电极上利用静电纺丝涂覆离子交换膜来制备复合纳米碳电极-离子交换膜对，提出了一种非对称膜电容性脱盐方法，大幅度提高脱盐容量和脱盐稳定性。主要研究结果如下：.1）通过静电纺丝制备了一种碳纳米管和钒复合的碳纤维电极，三元复合电极达到479 F/g比电容。2000次的高电流密度（10 A/g）充放电循环，三元复合材料能够保持84%的性能，表现出很强的电容稳定性，适合电容性脱盐。.2）利用静电纺丝制备有机、无机钛氧化物负载的碳纳米纤维电极，杂化钛复合碳纤维电极的比电容高达280.3 F/g，4000次循环下电极电容稳定在初始值的97.5%。.3）通过混合静电纺丝方法，制备了一种自支撑、柔韧、导电性高的钒-碳纳米纤维复合电极材料，该材料可直接作为电极使用，避免了绝缘粘结剂的使用。复合电极表现出325.7 F/g（电流密度1 A/g）的电容性能，并且在4 A/g的电流密度下，循环5000次仍能保留92%的初始电容。.4）制备了一种富含大孔、微孔的多孔碳材料，深入研究了孔道结构及孔径对电容及脱盐性能的影响。制备的多孔HPAC具有更高的比电容（309 F/g，0.5 A/g，6 M KOH）和脱盐性能（16.3 mg/g，1.2 V，500 mg/L NaCl），远优于文献报道。结果表明大孔和微孔的二级结构碳材料的电容和脱盐性能优于多级结构和介孔碳，证明了微孔结构的贡献在于电极电容增加，而大孔提供离子库帮助离子迁移，这为高性能CDI电极的制备提供了理论指导。.5）利用静电纺丝涂覆在碳电极表面涂覆阴离子交换膜，制备成阴膜-阳极，研究了一种新型的非对称膜电容性脱盐方法，快速脱盐过程脱盐容量高达8.32 mg /g，电流效率75%，具有比CDI高得多的脱盐容量与脱盐稳定性，也解决了传统MCDI膜成本过高的问题。