三嗪环共价有机聚合物的制备及其电容去离子应用研究

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随着世界经济与工业的发展,淡水资源匮乏是人类生存所面临的巨大挑战,工业废水的深度处理及回用是解决这一问题的主要手段之一。电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)作为一种新兴的水处理技术,由于其简单、低能耗、高效、无污染等优点正越来越引起人们的关注。电容去离子技术是一种基于电吸附的技术,将未处理的水通过该装置,充电时,水中的带电物质会迁移和吸附到带相反电荷的电极上,反之,在短路或者反接电源时,带电物质将被解析和释放到浓缩液中。在电容去离子吸附过程中,电极与电解质溶液界面会形成双电层。探索和研究合适的电极材料是解决电容去离子技术的核心问题之一。本论文通过自制电容去离子装置,首次以共价有机框架(COFs)材料作为CDI电极材料。共价有机框架材料具有结构易于调控、热稳定性和化学稳定性好等特点。本文选取三嗪环共价有机框架(CTFs)材料,以对苯二氰为原料,氯化锌既作为催化剂又作为溶剂,分别在400 oC、500 oC;20小时、40小时条件下反应,通过离子热法制得。采用了扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱学(FT-IR)、粉末X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、接触角测试以及氮气脱吸附等对所制得的三嗪环共价有机框架进行了表征分析。通过电化学工作站的循环伏安法(CV)、恒流充放电(GC)以及电化学光谱(EIS)对其电化学性能进行了测试。并将其与炭黑、聚偏氟乙烯混合制成电极应用于电容去离子装置,在不同电压、不同初始浓度下进行脱盐性能和循环再生性能测试。三嗪环共价有机框架材料由于其高含氮量、多孔结构以及低电阻等特点,本文首次研究其作为电极材料在电容去离子技术上的应用。所制得的三嗪环共价有机框架材料强大的吸附能力是由于π-π电子贡献-接受,苯环的π电子缺陷(硝基的强吸电子效应)和石墨化碳表面丰富的π电子,其π-π共轭体系以及微孔丰富的奇特形貌结构使其具有极好的电化学性能和较大的比表面积。其丰富的微孔结构有效地提供了吸附位点;优异的亲水性保障了孔隙体系充分在电吸附过程中充分被利用。将三嗪环共价有机框架材料作为电极材料对其进行了电化学性能测试,该电极在1 mV s-1扫描速度1 M NaCl溶液中其比电容高达122.63 F g-1。此外,将该电极进一步进行了电容吸附去离子脱盐性能研究,在1000 mg L‐1NaCl溶液中外加电压1.2 V时,其电容去离子比吸附量高达29.34 mg g‐1,并显示出极好的稳定再生性能。根据以上三嗪环共价有机框架材料作为电极材料显示出的优异特性,该电极在高效脱盐电容去离子技术的具有广阔的应用前景。
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