活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　杂原子掺杂的活性炭由于其优异的理化性质和广泛的应用而成为研究的热点。这些材料的好效率与简单生产具有重要的实践和科学意义。本期我们通过吡咯单体的原位聚合和随后的二氧化碳活化来制备了氮掺杂的活性炭。发现聚吡咯聚合物的制备方法在制备高质量活性炭中起重要作用。系统地研究了制备过程(吡咯单体聚合过程中氧化剂的变化)对活性炭的形态，结构和电容去离子性能的影响。

　　与其他脱盐技术，如电渗析和反渗透相比，电容去离子(CDI)已经接收到显著关注的其多个优点，诸如环境友好性，高脱盐效率的基础上和低成本。CDI设备通过在电极和盐水介质之间的固/液界面形成双电层，通过离子的电吸附来实现脱盐。CDI设备的工作原理基于电化学双层电容器。在充电过程中，阳离子和阴离子分别吸附在阴极和阳极上。相反，在放电过程中离子从电极表面解吸。电极材料在CDI设备的操作中起着关键作用。理想的电极通常具有较大的比表面积，良好的导电性和合适的孔径。多孔碳材料如石墨烯，活性炭，碳纳米管，碳气凝胶，碳纳米纤维，以及它们的复合物通常用作优先的CDI电极。基本上，CDI性能主要取决于活性炭电极的特性，包括多孔结构，比表面积，表面化学性质和电导率。聚合物由于其丰富和低成本而成为制备活性炭的合适前体。

　　由聚合物制成的活性炭

　　图1和一个示出了活性炭材料的制备方法。首先，使用不同的氧化剂(FeCl 3和过硫酸铵)通过吡咯单体的氧化聚合反应合成了两种样品。其次，对原材料进行二氧化碳活化处理，以制备具有高孔隙率的活性炭。进行氮吸附测量以获取关于他们的比表面积的数据。

　　图1：两种活性炭的制备过程示意图;(b)所制备的活性炭-1和活性炭-2样品的氮吸附-解吸曲线和(c)孔径分布曲线。

　　将两种活性炭样品的曲线(图1b)确定为I型和IV型等温线的组合。根据它们的吸附-解吸等温线，氮气量在低压下急剧增加，表明它们都具有丰富的微孔。显然，活性炭-2的等温线在中等相对压力下趋于平坦，而活性炭-1中氮的吸收量则随着相对压力的增加而逐渐增加，这表明除了位于微孔中的微孔外，还有大得多的孔。材料。合成后的两种活性炭的孔径分布图如图1所示。可以看出，活性炭-1比活性炭-2具有更宽的孔径分布。高度多孔的结构，是电荷的存储和有益将有助于改善电容去离子的性能。

　　图2中的插图是两种活性炭的数码照片。当将相同量的两种活性炭(100 mg)放入相同体积的离心管(5 mL)中时，活性炭-1粉末占据的体积更大，这表明他的密度较低。通过扫描电子显微镜研究了他们的形态。如图2所示可以看出，与原始材料相比，两种活性炭的外观变化不大。但是，它们的粒径不同。显然，活性炭-1的颗粒大于活性炭-2的颗粒。这些颗粒聚集在一起并形成多孔形态。活性炭-1具有更大的孔径，表明较疏松的多孔结构。

　　图2：两种活性炭样品的扫描电子显微镜图像。

　　活性炭电容去离子实验

　　进行批处理模式电容去离子实验以研究所制备材料的电吸附性能。图3一个示出了可以观察到在1.2 V.不同浓度的NaCl溶液活性炭-1电极的电吸附行为在第15分钟内急剧增加，吸附平衡吸附能力，可实现在大约30分钟内。显然，电吸附容量随NaCl浓度的增加而增加。与它们的高表面积和比电容相似，在1.2 V电压下活性炭-1在NaCl溶液中显示出比活性炭-2更高的吸附能力。考虑到相似的表面化学组成，所制备的活性炭-1电极的电容去离子性能改善主要归因于较大的表面积和多孔结构，从而为离子的存储和运输提供了充足的活性区域和空间。活性炭-1电极的吸附性能优于许多其他样品。实验表明氮掺杂对电容去离子性能有利。对于实际应用，还评估了电容去离子电极的再生性能。图3b示出了活性炭电极在500mg L-1NaCl电解质中的再生行为。显然，活性炭电极在6个吸附-解吸循环中表现出良好的再生性能。这些结果表明，活性炭具有很大的电容去离子应用潜力。

　　图3：(a)在不同的NaCl浓度下活性炭的电吸附动力学，(b)活性炭电极在NaCl电解质中的电吸附和再生循环。

　　我们所制备的具有高表面积的活性炭具有较高电吸附容量值，并且在NaCl电解质具有优异的再生性能，证明生成的活性炭是电容去离子的有希望的电极材料。除电容去离子外，制备的活性炭还可以应用于许多其他领域，例如气体吸附，电催化和电池。未来的工作将致力于更好地了解各种聚合物的活化机理，并找出聚合物，结构和性能之间的明确关联。

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