本发明专利技术公开了一种掺杂金属有机骨架Cu‑MOF的活性炭电极及其制备方法，属于水处理技术与资源化利用领域。所述电极材料是先将合成的Cu‑MOF在空气中煅烧，然后将此材料与活性炭、炭黑、粘结剂掺杂混匀压制在钛网上，最后干燥得到电极片。与普通活性炭电极相比，合成得到新型电极材料具有更大的比电容、更大的吸附容量、更快的吸附效率以及更加可靠的吸附稳定性。是一种适合电容去离子技术的材料。
An air activated Cu-MOF activated carbon electrode and its preparation
The invention discloses an activated carbon electrode doped with metal organic framework Cu_MOF and a preparation method thereof, belonging to the field of water treatment technology and resource utilization. The electrode material first calcines the synthesized Cu_MOF in air, then mixes the material with active carbon, carbon black and binder to press on the titanium mesh, and finally dries to get the electrode sheet. Compared with the conventional activated carbon electrode, the new electrode material has larger specific capacitance, larger adsorption capacity, faster adsorption efficiency and more reliable adsorption stability. It is a material suitable for capacitive deionization technology.
【技术实现步骤摘要】
一种掺杂空气烧Cu-MOF活性炭电极及其制备
本专利技术涉及电容去离子装置中一种新型电极材料的制备与应用方法。该电极主要应用于电容去离子除盐过程，属于水处理
技术介绍
电容去离子技术(CDI)作为一种高效、节能、廉价和无污染的海水淡化技术，近年来受到人们的广泛关注，CDI主要用于处理中等或低盐含量的水溶液。CDI使用一对平行放置的多孔碳材料为电极，当在两电极之间施加一个电压差时，在静电作用下离子被吸附，这种电极可以被组装成多对堆叠的结构。将含盐水流过两个电极之间的间隔通道，离子被吸附并存储在碳材料内部的微孔中。离子吸附过程不涉及氧化还原反应，因此系统的使用寿命长，维修费用低，不会产生二次污染。CDI技术还可用于医药、工业废水的处理、重金属或金属氧化物的回收利用以及特殊离子的脱除。电极材料是电容去离子技术的核心部件，其性能决定着CDI系统的离子脱除能力和实际应用中的经济效益。碳材料由于其发达的孔结构和高的比表面积成为最适合的用于电容去离子电极材料，碳材料是发展和制备多孔电极的首选材料。正在进行的研究不仅致力于进一步优化己有碳材料的孔径分布和化学组成，也扩展到具有复杂孔结构和电化学性能的新型材料。电极材料的CDI性能不仅与材料的总孔容量，孔径大小和孔隙的连通性有关，也与材料的导电性，电化学稳定性和费用有关。金属有机框架(MOFs)材料是一类由含氮或氧的多齿有机配体与金属中心通过配位作用自组装而形成的具有规则的一维、二维或者三维结构的晶体材料。在构建金属有机骨架材料时，有机配体起着关键性的作用，有机配体的种类决定着MOFs的孔的结构和大小，从而控制骨架的孔隙率和比表面积。一般的分子筛过滤材料，沸石的孔尺寸通常小于lnm，介孔分子筛的孔尺寸通常大于2nm，而MOFs的孔尺寸可以从微米到纳米不等，能根据需要来调节孔尺寸。MOFs结构和功能的多样化是因为不同金属离子性质不同和有机配体配位能力的多样性。有机配体的种类繁多，同一基团可以有多种配位模式；不同的金属元素与不同的配体也有很多种配位方式。在合成MOFs过程中，有机配体的体积比较大，由于空间位阻作用，金属离子还与小分子(例如水、DMF等)配位，使金属元素的配位达到满配位。MOFs在高温或真空加热活化以后，这些小分子物质很容易从MOFs骨架上脱除，这时金属离子呈现出配位不饱和状态，这时的MOFs就具备了催化性能和选择性吸附的能力。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述的事实，利用在空气下煅烧的Cu-MOF材料掺杂在活性炭电极中，并将其应用于电容去离子装置中，提高电极的离子吸附容量和电容去离子性能。本专利技术的主要内容如下：一种掺杂空气烧Cu-MOF活性炭电极，该电极掺杂的是在空气下高温煅烧的金属有机骨架Cu-MOF，再将Cu-MOF材料和活性炭、炭黑、粘结剂混合，压制在钛网上，干燥后得到的掺杂空气烧Cu-MOF活性炭电极。一种掺杂空气烧Cu-MOF活性炭电极的制备方法如下：(1)Cu-MOF材料的制备称取均苯三甲酸溶解于乙醇中，三水合硝酸铜溶解于去离子水中；均苯三甲酸与三水合硝酸铜质量比为1:1-3，在室温下将以上两种溶液混合、搅拌后将混合物装入聚四氟乙烯内衬的反应釜中升温反应，待反应完成且反应釜自然降温后，取出样品，用乙醇反复洗涤直至干净，烘干后得到Cu-MOF材料；(2)空气烧Cu-MOF材料的制备将(1)得到的Cu-MOF材料放置在马弗炉中煅烧，在800-1000℃下下煅烧6-10h，自然冷却至室温后取出，获得空气烧Cu-MOF材料；(3)电极片的压制将(2)得到的的空气烧Cu-MOF材料、活性炭、导电炭黑和聚四氟乙烯按照质量比2:6:1:1在乙醇中混合，混合后制备的弹性胶团压在钛网上，置于干燥箱中干燥60-180min，自然冷却至室温后取出，获得空气烧Cu-MOF活性炭电极。所述的掺杂空气烧Cu-MOF活性炭电极的应用，在于对苦咸水进行淡化处理电容去离子除盐方面的应用，具体操作如下：将步骤(3)制得的空气烧Cu-MOF活性炭电极片安装在电容去离子装置上，阳极为空气烧Cu-MOF的活性碳电极，阴极为活性炭电极，阴阳极用硅橡胶粘贴在装置壁，电极片之间用6mm硅胶垫隔开，用钛线将阴阳极与直流稳压电源相连。取1000mg/L的KCl溶液作为测试溶液，溶液量为200ml，溶液流速为20ml/min；加1.8V电压，每隔5min测一次溶液的电导率，直至电导率值不变为止，如此完成一个电容去离子吸附过程。本专利技术在空气下煅烧Cu-MOF材料，利用该材料具有三维立体多孔结构和比表面积大的特点，将其掺杂在活性炭电极材料应用于电容去离子脱盐中，表现出良好的电容去离子性能。与传统活性炭电极相比，本专利技术的优点在于：1.本专利技术所制备掺杂空气烧Cu-MOF材料的活性炭电极具有比电容大的特点，对比传统活性炭电极材料，单位质量比电容大大增大，这有利于增大电极的吸附容量。2.本专利技术所制备掺杂空气烧Cu-MOF材料的活性炭电极具有明显优于传统活性炭电极的去除效率和单位电吸附量，在电容去离子过程除盐率可达到36.3％,为活性炭电极的2.3倍(活性炭电极的除盐率仅为15.5％)；单位电吸附量为45.1mg/g，为活性炭电极的2.8倍(活性炭电极的单位电吸附量仅为15.9mg/g)。3.本专利技术所制备掺杂空气烧Cu-MOF材料的活性炭电极在电吸附过程中具有良好的稳定性。相对于活性炭电极，在高浓度的盐溶液中难以发生双电层被干扰的现象。附图说明图1实施例1的传统活性炭电极材料与空气烧Cu-MOF电极材料的CV曲线图[(a)传统活性炭；(b)空气烧Cu-MOF]图2为传统活性炭电极材料与空气烧Cu-MOF电极材料的去除率曲线[(a)传统活性炭；(b)空气烧Cu-MOF]图3为传统活性炭电极材料与空气烧Cu-MOF电极材料的电吸附量对比图具体实施方式实施例1空气烧Cu-MOF电极材料的制备：一种掺杂空气烧Cu-MOF电极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)Cu-MOF材料的制备称量4.91g均苯三甲酸溶解于25ml乙醇中，11g三水合硝酸铜溶解于25ml去离子水中；在室温下将以上两种溶液混合。搅拌30min后将混合物装入100ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中反应18h，温度为383K，待反应完成且反应釜自然降温后，取出样品，用乙醇反复洗涤干净，383K下烘干后得到Cu-MOF材料。(2)空气烧Cu-MOF材料的制备将(1)得到的Cu-MOF材料放置在马弗炉中煅烧，升温速率为5℃/min，在800℃下煅烧8h，自然冷却至室温后取出，获得空气烧Cu-MOF材料。(3)电极片的压制将步骤(2)中制备的空气烧Cu-MOF材料、活性炭、导电炭黑和聚四氟乙烯乳液按照质量比2:6:1:1混合，搅拌均匀后的弹性胶团压在10cm*5cm钛网上，置于干燥箱120℃下干燥1-2小时，自然冷却至室温后取出，获得掺杂空气烧Cu-MOF的活性碳电极。利用电化学工作站测定活性炭电极的比电容大小：将(3)中得到的电极片剪裁1cm*1cm的小片，置于PBS(磷酸盐缓冲溶液)溶液中浸泡2小时以上。将其安装到电解池的一端作为工作电极；使用Ag/AgCl电极作为参比电极；使用铂电极作为对电极，这三者共同建立起三电极体系。在扫描范围为-1～1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种掺杂空气烧Cu‑MOF活性炭电极，其特征在于：该电极掺杂的是在空气下高温煅烧的金属有机骨架Cu‑MOF材料，再将Cu‑MOF材料和活性炭、炭黑、粘结剂混合，压制在钛网上，干燥后得到的掺杂空气烧Cu‑MOF活性炭电极。
【技术特征摘要】
1.一种掺杂空气烧Cu-MOF活性炭电极，其特征在于：该电极掺杂的是在空气下高温煅烧的金属有机骨架Cu-MOF材料，再将Cu-MOF材料和活性炭、炭黑、粘结剂混合，压制在钛网上，干燥后得到的掺杂空气烧Cu-MOF活性炭电极。2.一种掺杂空气烧Cu-MOF活性炭电极的制备方法，其特征在于：该电极的制备方法如下：(1)Cu-MOF材料的制备称取均苯三甲酸溶解于乙醇中，三水合硝酸铜溶解于去离子水中；均苯三甲酸与三水合硝酸铜质量比为1:1-3，在室温下将以上两种溶液混合、搅拌后将混合物装入聚四氟乙烯内衬的反应釜中升温反应，待反应完成且反应釜自然降温后，取出样品，用乙醇反复洗涤直至...
【专利技术属性】
技术研发人员：岑本强，李克勋，王忠，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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