[发明专利]一种MnO2复合多孔炭材料电极及其在电容去离子脱盐中的应用

说明书

本发明涉及一种MnO₂复合多孔炭材料电极及其在电容去离子脱盐中的应用，属于水处理技术领域。一种MnO₂复合多孔炭材料电极，所述电极是将MnO₂复合多孔炭材料粘结在集流材料上所得，其中，所述MnO₂复合多孔炭材料由多孔炭材料及分布于内部孔道及表面的MnO₂赝电容材料组成。将上述MnO₂复合多孔炭材料电极用于电容去离子脱盐模块，另一个电极采用正电荷修饰的炭材料电极，所述电极II是将正电荷修饰的炭材料粘结在集流材料上所得。本发明的最大效益是可以有效地避免阳极氧化所导致的同性离子排斥效应，同时可以得到较大的电吸附容量以及较快的吸附再生时间。这些优点使本发明的电极材料及其操作方法具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种MnO₂复合多孔炭材料电极及其在电容去离子脱盐中的应用，属于水处理技术领域。

背景技术

电容去离子脱盐技术(Capacitive Deionization,CDI)的性能在很大程度上取决于其电极材料，理想的CDI电极材料应该具备高比表面积、高导电、快速的离子吸脱附响应、良好的化学及电化学稳定性、易于制备和组装以及抗污染等性质。目前被广泛研究的CDI电极材料主要为碳材料以及碳基复合材料，包括活性炭、碳气凝胶、碳化物衍生炭、有序介孔炭材料、碳纳米管、石墨烯、金属有机骨架材料衍生炭等。炭材料基于其发达的孔结构、较高的导电性以及良好的化学、电化学稳定性，而被研究人员视为良好的CDI电极材料。然而同名离子排斥效应会影响电极的脱盐性能。通常情况下，在没有电场力时电极可以同时吸收溶液中的阴离子和阳离子。当给电极施加一个电场时，阳离子会被吸附到阴极的表面，但是同时之前电极吸附的阴离子(同名离子)会被排斥到溶液中，相似的情况在阳极也会发生，即同名离子排斥效应。同名离子排斥效应会降低净盐移除率。

膜电容去离子技术(membrane capacitive deionization,MCDI)与普通CDI的区别在于其正、阴极前分别加入了阴、阳离子交换膜。2006年，Lee等人提出了MCDI的概念并将其用于热电厂废水的处理，随后研究者们开展了一系列关于MCDI的研究。与普通的CDI相比，MCDI一般具有更高的电荷效率和脱盐量，更低的能耗以及更好的循环稳定性。这是因为一方面离子交换膜能够阻止从电极上排斥下来的同性离子进入电解液，从而避免同性离子排斥效应；另一方面由于离子交换膜对同性离子的阻挡，MCDI能够反接电压进行脱附，使电极孔道内以及膜内一侧的反离子实现完全脱附，从而为下一次的吸附过程提供更大的驱动力。另外离子交换膜能够阻挡电化学活性物质的传输进而抑制阳极的氧化，同时能够阻止阳极氧化所引起的同性离子排斥效应，因此MCDI一般表现出良好的循环稳定性。离子交换膜的引入虽然有利于CDI性能的提高，但其成本较高且与电极之间的接触电阻较大。

2012年，Pasta等人提出了脱盐电池(Desalination Battery)的概念，脱盐电池采用锰钠氧化物(Sodium Manganese Oxide，NMO)电极存储钠离子，采用银电极存储氯离子。在吸附过程中，活性炭电极作为阳极吸附氯离子，NMO电极作为阴极被还原嵌入和存储钠离子，实现离子的脱除。在脱附过程中反接电压，活性炭电极上吸附的氯离子被脱附，NMO被氧化释放出钠离子，实现离子的脱附。由于NMO电极具有阳离子选择性，而活性炭电极不具有离子选择性，因此活性炭电极前的阴离子交换膜在HCDI中十分必要。该阴离子交换膜能够阻止脱附过程中由NMO电极上脱附的钠离子再次被吸附到活性炭电极上，从而确保脱附过程的顺利进行。然而，考虑到这种赝电容电极材料一般是不导电的材料，如何通过合理的技术手段赋予此类赝电容材料导电性能，以及如何取消阴阳离子交换膜的加入，降低传质阻力和减低成本，是工业化推广应用的一个至关重要的科学问题。

发明内容