层状化合物电极材料的制备与电吸附性能研究

电吸附法是近年发展起来的一种新型水处理技术，其应用领域涉及工业废水处理、苦咸水淡化、海水淡化等多个方面。电极材料是决定电吸附技术除盐效果、能耗高低、处理周期长短等指标的关键，理想的电极材料应该具有较大的比表面积、较好的离子吸/脱附性能、较高的导电性、优良的化学和电化学稳定性。本研究针对高性能电吸附电极材料的设计合成开展工作，首先将层状化合物（水滑石、钛酸盐）负载于导电基底（泡沫镍、多孔碳）上，合成出系列层状化合物电极材料，包括泡沫镍基镍铝水滑石、镍钛水滑石、Ni0.5Co1.5(OH)4多级纳米线阵列、镍铝水滑石/碳纳米管复合材料、钛酸盐阵列以及多孔碳基钛酸盐阵列等。之后，合成出系列多孔碳电极材料，包括葡萄糖基氮掺杂介孔碳、氮掺杂碳包覆氧化石墨烯的多孔复合材料、EDTA基多孔碳。通过合成条件和电吸附除盐工艺的优化，获得了多种具有高比表面积、丰富孔结构、高比电容值、大电吸附容量和优良再生能力的层状化合物电极材料和碳电极材料，其中泡沫镍基镍铝水滑石电极对Cl-的电吸附容量达到81.2 mg/g，而EDTA基多孔碳电极对Na 的电吸附容量达到34.27 mg/g，它们超越了目前报道的大部分电吸附电极材料，且能够实现电极的完全再生，多次循环稳定。最后，探讨了层状化合物电极材料和碳电极材料的组成结构、超电容性能和电吸附性能之间的内在关联和规律，研究了新型电极材料的生成机理，为进一步设计高容量、循环稳定的电吸附电极材料提供理论和实验支持。基于以上研究，发表SCI收录论文10篇，获得国家发明专利授权2项，申请国家发明专利5项。

电吸附水处理技术近年来受到了广泛的关注，而电极材料是决定电吸附性能的最重要因素之一。针对常见碳材料电极的亲水性差、吸附能力有限、选择性低、易受污染物中有机质影响等问题，寻求新型高性能电极材料具有十分重要的意义。本项目拟合成一类新型的层状化合物电吸附电极材料，将层状氧化物和氢氧化物（钛酸盐、镍基水滑石）负载于导电基底（泡沫镍、多孔碳）上，利用其特殊的层状结构、高比表面积、孔道结构、层板带电荷以及大电容等性质，实现电极材料在吸附容量、稳定性、选择性和污染物深度处理等方面的性能提高。将采用多种测试手段对电极材料的组成、结构、表面特征、电化学性质、电吸附性能等进行表征，研究合成条件、材料的组成结构与电吸附性能之间的内在联系和规律，优化新型电吸附电极材料的结构，完善合成工艺，探讨新型电极除盐的吸附机理。

本项目以高性能储能材料为导向，拟以多孔碳薄膜和纳米线阵列作为导电聚合物聚苯胺的载体，开发一种简单有效的方法直接在集电极上制备超级电容器复合电极材料。电极材料直接生长到集电极上，可以简化超级电容器电极制备步骤，并能有效降低电容器的内阻。复合材料的多孔碳支架能够均匀承受聚合物在充放电过程中的应力，保证了电极材料的循环稳定性；将导电聚合物自组装到多孔碳的孔道中，可以提高多孔碳的导电性，从而改善电极材料的循环稳定性和倍率特性。通过优化有序多孔碳薄膜和纳米线阵列的制备工艺、聚合物在多孔碳孔道中的自组装工艺，实现对复合材料的形貌、组成和结构的调控。研究所制备复合材料的充放电容量、充放电特性和循环稳定性；探索复合材料的形貌、组成和结构等因素对超级电容器性能的影响，为开发具有高比电容、高比功率、高比能量和高循环稳定性的超级电容器电极材料提供理论和实践指导。

本书共9章，主要介绍了热电材料的现状、制备方法、高压合成理论介绍、热电性能测试方法以及不同种类的材料制备和性能研究等内容。

本书具有较强的知识性和针对性,可供材料科学与工程、热电材料、环境工程等领域的科研人员、技术人员和管理人员阅读，也可供高等学校材料科学与工程、环境工程等相关专业的师生参考。

本项目以介孔碳纳米线阵列为导电聚合物聚苯胺的载体，制备出了聚苯胺/介孔碳纳米线复合电极材料，通过优化有序多孔碳纳米线阵列的制备工艺、聚合物在多孔碳孔道中的自组装工艺，实现了对复合材料的形貌、组成和结构的调控。聚苯胺/介孔碳纳米线复合电极材料的介孔碳支架可以均匀承受聚合物在充放电过程中的应力，保证了电极材料的稳定性，而聚苯胺可以进一步提高复合材料的导电性，从而改善材料的循环稳定性和倍率特性。这一工作为开发具有高性能的超级电容器电极材料提供理论和实践指导。 在本项目的资助下，我们还对无机功能材料的制备及性能开展卓有成效的研究。以晶态钛醇盐（TG）为前驱体，通过光驱动的固相转化途径，首次制得了碳掺杂的多孔C-TiO2，其表现出了较高的可见光催化活性；利用同样的光驱动方法，制备出了多级结构锐钛矿二氧化钛，所制备的二氧化钛表现出优良的储锂性能；我们通过金属Zn蒸汽与质子化的分子筛反应制备出了Zn 改性的Y型分子筛，可以在较温和的条件下（350度）将CO2分解成C和O2；通过简单溶剂热方法合成出了具有空心和实心球形结构的Pd/Fe3O4磁性纳米复合材料，其在常温常压催化加氢等反应中的较高催化性能。开发了一种钠热法，在较低温度下制备出了一种具有高比表面积的无定形多孔硅，这种多孔硅表现出很好的电化学电容行为。 以上工作共发表SCI收录论文5篇，申请专利1项，培养博士生1名（在读）和硕士生2名（毕业1名）。 2100433B