基于靜電紡絲技術(shù)的活性碳納米纖維制備及其電容器脫鹽研究.pdf

1、淡水是一種寶貴的資源，是人類賴以生存和發(fā)展的最基本物質(zhì)之一。淡水資源緊缺將成為制約我國經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。淡水資源的補(bǔ)給可通過海水、苦咸水淡化及污水的再生回用等途徑，因此，開發(fā)高效脫鹽技術(shù)滿足缺水地區(qū)的淡水供給具有重要意義。傳統(tǒng)的脫鹽方法，如電滲析、反滲透存在能耗高、成本高、再生復(fù)雜等問題，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用受限。電容去離子技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型脫鹽技術(shù)，該技術(shù)以純雙電層電容原理吸附離子，脫鹽過程再生可逆性好，操作壓力小，能

2、耗低，水回收率高，而且整個過程無氧化還原反應(yīng)發(fā)生，無二次污染等，相比現(xiàn)有的反滲透(RO)和電滲析，具有良好的應(yīng)用前景。
　　本文以商業(yè)活性炭纖維氈(ACF)和基于靜電紡絲技術(shù)制備的活性碳納米纖維(A-ECNF)作為自支撐電極材料組裝電容器并進(jìn)行脫鹽研究。分別考察了目標(biāo)電壓、充電電流密度及溶液流速等對電容器脫鹽性能的影響，并采用循環(huán)伏安、電化學(xué)阻抗、掃描電子顯微鏡等多種技術(shù)表征了A-ECNF電極的特性。主要結(jié)果如下:
　　1、

3、以商業(yè)ACF電極作為自支撐電極組裝電容器，研究了目標(biāo)電壓及充電電流密度對電容器脫鹽量、脫鹽速率、電流效率及電極表面pH值的影響。結(jié)果表明:在一定范圍內(nèi)隨著目標(biāo)電壓的升高，脫鹽量逐漸增加，電流效率呈先增大后減小的趨勢。目標(biāo)電壓過高，電極表面極化嚴(yán)重，導(dǎo)致電極表面微區(qū)pH值顯著變化。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)電壓為1.2V，充電電流為38mA/g時，該商業(yè)ACF電極的脫鹽量為4.92mg/g，電流效率為32.3％。電化學(xué)表征驗證，由于離子在電極表面擴(kuò)

4、散受阻，從而導(dǎo)致低的脫鹽容量。
　　2、以聚丙烯腈(PAN)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合液為紡絲前驅(qū)液，采用靜電紡絲技術(shù)制備碳納米纖維(ECNF)，考察了PAN濃度、紡絲電壓及接收距離對ECNF形貌的影響。結(jié)果表明:PAN濃度為9％，紡絲電壓為15kV，接收距離為20cm時，獲得的ECNF直徑在220nm左右。并采用ZnCl2試劑作為活化劑處理ECNF得到活性碳納米纖維(A-ECNF)，以改善ECNF的性能，增大其比表面積

5、。研究發(fā)現(xiàn)ECNF經(jīng)ZnCl2活化處理后，纖維的表面形貌無明顯變化，仍保持原有良好的柔韌性，可作為自支撐電極直接用于電容器組裝;接觸角測試表明，與活化前相比，活化后ECNF具有更好的水潤濕性。并考察了活化劑量(ZnCl2/ECNF比例)對A-ECNF的影響，BET測試表明，隨著ZnCl2/ECNF比例的提高，纖維的比表面積逐漸增大，當(dāng)比例為2∶1時，活化得到的A-ECNF比表面積高達(dá)430m2/g，而未活化的ECNF比表面積為12.4m

6、2/g;循環(huán)伏安及電化學(xué)阻抗測試表明，隨著ZnCl2/ECNF比例的提高，獲得的A-ECNF電極的電容電流逐漸增大，電阻逐漸減小，離子在電極表面的遷移速率明顯提高。
　　3、將ZnCl2活化后的A-ECNF作為自支撐電極組裝成電容器，進(jìn)行恒流充放電脫鹽研究，對比不同ZnCl2/ECNF比例時所得A-ECNF電極的脫鹽性能，發(fā)現(xiàn)ZnCl2活化可以明顯改善電極的脫鹽性能，且脫鹽速率隨著其比例的提高而增大。當(dāng)ZnCl2/ECNF比例為2

7、∶1時，A-ECNF的脫鹽速率最快，脫鹽量最高。以ZnCl2/ECNF比例為2∶1時制得的A-ECNF作為電極材料，研究了電極材料的充放電穩(wěn)定性及充電電流密度、溶液流速和目標(biāo)電壓對A-ECNF電極的脫鹽速率、脫鹽量和電流效率的影響。結(jié)果表明，在合適的參數(shù)下（充電電流密度為36mA/g，溶液流速為10ml/min;目標(biāo)電壓為1.2V），A-ECNF電極的脫鹽量高達(dá)10.2mg/g，電流效率高達(dá)57.1％，明顯優(yōu)于ECNF電極。此外，對比現(xiàn)