[发明专利]一种CDI多级孔活性炭电极及其利用HAP裂解自活化的制备方法和应用

说明书

本发明属于含盐溶液脱盐技术领域，具体为一种利用羟基磷灰石(HAP)裂解自活化制备CDI电极活性材料的方法，其特征在于，将包含HAP的碳源在大于或等于1000℃温度下热处理，使HAP裂解的同时并对碳化产物进行自活化，得到所述的CDI电极材料。本发明创新地利用HAP在大于或等于1000℃的温度下自身裂解并同步释放水蒸气和CO₂对碳化碳表面自活化的机理来一步构建多级孔材料。此外，本发明还发现利用HAP在所述温度下裂解方法获得的材料在盐溶液CDI吸附领域具有意料不到的电吸附性能。

技术领域

本发明属于电化学电容去离子领域，具体涉及一种电极活性材料的制备。

背景技术

由于人口增长，工业发展和气候变化，淡水资源短缺已成为全世界的一个威胁性问题。为了解决这个问题，利用海水和苦咸水生产淡水已经引起了广泛的关注。电容去离子(CDI)由于具有低能耗，低成本，节能环保，易于再生的特点近年来被广泛的用于盐离子的脱除。

电容去离子的脱盐性能很大程度上取决于电极材料的结构和性质。商业活性炭由于具有高的比表面积以及低成本的优势而经常用作CDI电极，然而，商业活性炭主要由微孔组成，其大的比表面积和实际可用的表面积之间表现出不符，因此导致低的孔利用效率，限制了盐离子的扩散和迁移。Wang等(J.Mater.Chem.A,2016,4,10858-10868)使用传统的微孔活性炭作为CDI的电极，测得的盐吸附容量仅为5.12mg/g，且其平均吸附速率也较低。

目前为止，各种碳基材料已经应用于CDI，例如碳纳米管，碳气凝胶，介孔碳，碳纤维和石墨烯。然而，以上用于CDI的碳基材料都是通过石油衍生的化学物质合成，具有不可再生性，毫无疑问也会增加制备的成本且难以大规模的制备和应用。具有多级孔结构的活性炭由于具有制备成本低，高的导电性和良好的电吸附性能的特点而被广泛研究，目前，多级孔结构活性炭的合成主要分为以下两种方法：一种是通过外加模板法，即将碳前驱体与外加的硬模板进行充分混合，高温碳化后，通过强酸对外加的模板进行溶解从而制备出多级孔结构的活性炭。Patrick Strubel等(Adv.Funct.Mater,2015,25,287-297)利用ZnO纳米颗粒作为外加模板与蔗糖进行充分的混合，通过在高温下碳化，之后通过强酸的处理得到HPCs。另一种方法是生物质自身细胞特性衍生的分级多孔碳，即通过将生物质与化学活化剂进行混合，高温碳化，从而得到多孔孔活性炭。Yu等(ACS Sustainable Chem.Eng,2018,6,15325-15332)先将甘蔗渣放入高压反应釜中进行水热处理，随后将水热后的产物与KOH均匀混合后在管式炉中碳化，最后用浓盐酸处理，干燥后得到多级孔活性炭。然而，以上合成多级孔活性炭的方法中需要添加外加的模板，毫无疑问这将增加了材料制备的成本，难以大规模合成，而且制备过程复杂，化学活化剂的使用造成污染，强酸的使用造成设备的腐蚀等问题。

发明内容

针对现有CDI电极活性材料制备方法存在制备过程复杂、需要额外添加模板、且制得的材料的电容吸附性能不理想等技术不足，本发明的一个目的在于提供一种利用HAP裂解自活化制备CDI电极活性材料的方法，旨在利用一种全新的机理制备在CDI吸附中具有优异性能的电极材料。

本发明第二目的在于，提供一种添加有所述的HAP裂解自活化制备CDI电极活性材料的CDI电极。

本发明第三目的在于，提供所述的CDI电极的制备方法以及在盐溶液电容脱盐中的应用。旨在改善盐溶液中盐离子的去除，促进了NaCl溶液在电极中的流动，从而改善吸附容量。

本发明的主要目的在于解决盐溶液的CDI吸附问题，为此，本发明提供了一种利用羟基磷灰石(HAP)裂解自活化制备CDI电极活性材料的方法，将包含HAP的碳源在大于或等于1000℃的温度下热处理，使HAP裂解并对碳化产物自活化，得到所述的CDI电极材料。