一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备及应用的制作方法

本发明涉及电极材料制备领域，具体涉及一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备及应用。

背景技术：

1、电容去离子(capacitive deionization,cdi)是一种用于脱盐的新兴技术，具有能耗低、环境友好、维护成本低、电极可持续利用等优点，一般被应用在海水及苦咸水淡化、工业废水处理、半导体用超纯水制备和稀有金属富集提取等领域。其基本原理是通过在cdi脱盐装置的一对平行电极上施加一定数值的电压，使其分别带有正负电压，溶液中的带电离子流过脱盐装置时在静电力的作用下被捕获，进而吸附在电极板上，随着带电离子不断被吸附，溶液的浓度不断降低达到脱盐的目的。当电极板吸附能力达到饱和时，可以通过短路或接通反向电压将离子释放回浓缩溶液中来再生电极。通过周期性地充放电操作，cdi系统可以循环使用电极，从而实现对水中离子的高效去除。因此，寻找一种导电性好、脱盐容量高、稳定性强的电极材料是cdi技术亟需攻克的关键难题。

2、具有蛋黄壳结构的多孔碳球电极(yolk shell-porous carbon structure,yspcs)具有较高的比表面积，适当的孔分布，优异的导电性和良好的化学稳定性，在用作cdi电极时表现出优异的脱盐性能。然而先前的实验研究表明，在处理高浓度含盐水时，碳基电极容易发生不可避免的副反应比如碳阳极的氧化、低盐吸附能力、共离子效应等，阻碍了其进一步发展和大规模应用。

3、普鲁士蓝类似物(pbas)是一种不同于碳基电极的金属有机骨架材料(mofs)，而六氰合铁酸钠(nafehcf)是pbas中的一种，它是一组过渡金属六氰基铁酸盐，具有大量钙钛矿面心立方结构，这样的三维立体框架结构不仅确保了具有大离子半径的na离子在充电/放电过程中能够可逆地嵌入/脱出，而且大通道也能使na离子更容易传输，与传统的碳基电极材料相比，pbas电极的基本原理是施加电压后带电离子在电极材料表面发生氧化还原反应从而被吸附在金属有机骨架内部，因此pbas电极一般具有较高的吸附容量。但是，由于pbas电极亲水性较差，导电性差，导致其电子传输效率较低，电化学性能受限，严重制约了其投入实际应用。因此，研发一种具有良好导电性、高稳定性强和出色脱盐效率的普鲁士蓝类似物电极十分必要。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备及应用，具体步骤如下：

2、(1)将多孔碳球材料放在的混酸溶液中冷凝回流12小时，撤掉冷凝回流装置后浸泡12小时，且多孔碳球材料为yspcs材料；

3、(2)将yspcs材料用去离子水反复洗涤直到废液呈中性，100℃真空干燥后研磨备用；

4、(3)将预处理后的yspcs材料加入到含有聚乙烯吡咯烷酮的100ml去离子水中，经超声分散后形成均匀的悬浮液；

5、(4)在悬浮液中缓慢加入na4fe(cn)6溶液100ml，用盐酸将混合液ph调至1.0；

6、(5)将混合液加热搅拌4小时，生成蓝黑色沉淀；

7、(6)将蓝黑色沉淀产物经去离子水、乙醇洗涤三次，100℃真空干燥后研磨得到nafehcf@yspcs复合纳米颗粒；

8、(7)将nafehcf@yspcs复合纳米颗粒和炭黑、聚四氟乙烯在酒精中混合，涂覆在石墨纸上制得cdi脱盐装置的正负电极。

9、步骤(1)中混酸溶液，浓h2so4和浓hno3体积比为3：1，反应温度为140℃(油浴)。

10、步骤(3)中加入聚乙烯吡咯烷酮质量为0.8g，聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，起到保护分散介质的作用。

11、步骤(4)中加入na4fe(cn)6浓度为2mmol/l，盐酸浓度为37％。

12、步骤(5)中悬浮液反应温度为80℃。

13、步骤(7)中nafehcf@yspcs复合纳米颗粒、炭黑、ptfe的质量比例为8：1：1。

14、所述电极应用于cdi脱盐装置的正负电极，cdi脱盐装置以一个立方体作为基本的脱盐模块，最外侧由两块有机玻璃板支撑着阴极和阳极的电极片，中间插入两块厚度为1cm的中间被掏空的有机玻璃板作为脱盐的通道，最后用螺丝拧紧即构成一个脱盐装置。

15、本发明的有益效果如下：

16、1.本发明利用具有蛋黄壳结构的多孔碳球电极作为低成本和高导电率改性剂构建了具有三维立体结构的nafehcf@yspcs异质结构用作cdi电极，旨在提高单纯pbas电极材料的亲水性、导电性以及电化学稳定性，避免pbas电极在充放电过程中发生结构崩塌。本发明所提供的方法制备的普鲁士蓝类似物锚定蛋黄壳结构多孔碳球电极用作cdi脱盐实验时实现了预期的高脱盐能力和稳定的循环特性，在海水/苦咸水淡化领域拥有广泛的应用前景。

17、2.本发明通过水热共沉淀方法制备的一种普鲁士蓝类似物锚定蛋黄壳结构多孔碳球材料作为电极材料，利用yspcs多孔碳球球状形貌，丰富的多孔构型和比表面大等特点，通过预处理将碳材料含氧基暴露出来，与na4fe(cn)6生成牢固的离子键，将nafehcf纳米颗粒锚定在多孔碳球球表面，在用于cdi脱盐实验中表现出良好的电容去离子性能。

18、3.本发明利用具有蛋黄壳结构的多孔碳球作为改性剂，该材料对比其他碳基材料具有丰富的比表面积和多孔构型，可以提供大量的离子吸附位点，表现出优异的脱盐性能，经过预处理的yspcs暴露出更多缺陷，nafehcf纳米颗粒在其表面原位生长形成nafehcf@yspcs异质结构，与纯nafehcf纳米颗粒相比，经过yspcs改性的复合纳米颗粒有效地避免了共沉淀过程中的聚集、堆积现象。

19、4.本发明制备的普鲁士蓝类似物锚定蛋黄壳结构多孔碳球电极，在1000mg/l的nacl溶液中表现85.98mg/g初始脱盐容量，而纯nafehcf纳米颗粒制备的电极脱盐容量为60.78mg/g，吸附能力提高了41.46％，吸附效果较稳定，经过30次循环后脱盐容量仅衰减8.57％，且具有结构稳定、电化学性能优异、循环性能好以及脱盐量高等优点。

技术特征：

1.一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备，其特征在于：所述步骤一中冷凝回流12小时，所述步骤一中浸泡12小时，所述步骤二中真空干燥的温度为100摄氏度，所述步骤三中去离子水总共100ml，所述步骤一混酸溶液中浓h2so4和浓hno3体积比为3：1，反应温度为140℃，反应条件为油浴。

3.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备，其特征在于：所述步骤三中加入的聚乙烯吡咯烷酮的质量为0.8g。

4.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备，其特征在于：所述步骤四中加入的na4fe(cn)6浓度为2mmol/l，且na4fe(cn)6的体积为100ml，盐酸浓度为37％。

5.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备，其特征在于：所述步骤五中悬浮液反应温度为80℃，所述步骤五中混合液加热搅拌4小时，所述步骤六中真空干燥的温度为100℃，且洗涤次数为三次。

6.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备，其特征在于：所述步骤七中nafehcf@yspcs复合纳米颗粒、炭黑和聚四氟乙烯的质量比例为8：1：1。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的应用，其特征在于：所述普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料应用于cdi脱盐装置的正负电极，cdi脱盐装置以一个立方体作为基本的脱盐模块，最外侧由两块有机玻璃板支撑着阴极和阳极的电极片，中间插入两块厚度为1cm的中间被掏空的有机玻璃板作为脱盐的通道，最后用螺丝拧紧即构成一个脱盐模块。

技术总结本发明涉及电极材料制备领域，具体涉及一种普鲁士蓝类似物锚定多孔碳球电极材料的制备及应用，包括以下步骤：将制备好的多孔碳球材料放在的混酸溶液中冷凝回流后浸泡，将YSPCs材料洗涤直到废液呈中性，真空干燥后研磨备用，将预处理后的YSPCs材料加入到含有聚乙烯吡咯烷酮的去离子水中，经超声分散后形成均匀的悬浮液，在悬浮液中缓慢加入Na<subgt;4</subgt;Fe(CN)<subgt;6</subgt;溶液，将混合液加热搅拌，生成蓝黑色沉淀，将蓝黑色沉淀产物洗涤，真空干燥后研磨得到复合纳米颗粒，将复合纳米颗粒和炭黑、聚四氟乙烯在酒精中混合，涂覆在石墨纸上制得CDI脱盐装置的正负电极，本发明旨在提高单纯PBAs电极材料的亲水性、导电性以及电化学稳定性，避免PBAs电极在充放电过程中发生结构崩塌。技术研发人员：魏戌婕,郝风波,杜永勋,张健清,鲁旭萍,魏渤惠受保护的技术使用者：高频（北京）科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29