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用于海水淡化的类石墨烯BCN纳米片材料的设计及性能

随着人口的增长与环境污染的日益加重,淡水资源的短缺是人类面临的、迫切需要解决的重大问题之一。地球上的海水和苦咸水资源丰富,海水脱盐是获得淡水资源的有效途径之一。电容去离子技术CDI(Capacitive Deionization)是一种基于电化学双电层电容理论的电吸附脱盐技术,其基本思想是在多孔碳电极的两端施加低电压,在静电场的驱动下,溶液中带电粒子会向带有相反电荷的电极移动并被吸附在电极的孔隙中,最终从溶液中脱除。理想的CDI电极材料应具有高比表,低成本等特点,多孔碳材料是公认的一类理想CDI电极材料,如何降低碳电极材料的制备成本并提高性能,事关CDI技术的进一步发展。因此,迫切需要发展一种成本较低,且脱盐性能优异的CDI电极材料。硼碳氮(BCN)是一种具有类石墨烯结构的材料,兼具石墨烯与氮化硼的部分优点,其导电性可以通过调变碳含量来调控;B与N原子的共存,亦增加了许多活性位点,这赋予了BCN优异的电化学性能,在超级电容器、锂电池及电催化剂等方面,显示出很好的应用潜力。但是,迄今为止,关于BCN材料作为CDI电极材料的潜力和脱盐性能之构效关系的研究,还非常少见。                           

用于海水淡化的类石墨烯BCN纳米片材料的设计及性能

图1. BCN纳米片的制备过程示意图

 

近期,大连理工大学邱介山教授领导的“能源材料化工”研究团队,以g-C3N4为模板和氮源前驱体,利用高温固相法制备出BCN纳米片材料,并首次研究揭示了BCN纳米片材料作为CDI电极的脱盐性能及其构效关系,成果发表在英国皇家学会的旗舰期刊J. Mater. Chem. A上。

作为CDI电极,BCN纳米片材料展现优异的脱盐能力和良好的循环再生性能。在1.4V外加电压下,初始盐水中氯化钠浓度为500mg/L,脱盐量达到13.6mg/g; 在此盐浓度下,于0.8V电压下,再生循环15次,脱盐量未见明显衰减。

用于海水淡化的类石墨烯BCN纳米片材料的设计及性能

图2. (a)电吸附曲线;(b)电流相应曲线;(c-d)在500mg/mL下,BCN和N-C的脱盐量,电荷效率;(e-f)在不同氯化钠浓度下,BCN和N-C的脱盐量,电荷效率。

 

BCN的优异脱盐性能,主要源于以下几点:

其一,BCN具有较高的比表面积和导电性,这有利于双电层的形成及盐离子的吸附;其二,BCN纳米片材料中的B和N原子含量较高,导致更多的缺陷位,使得材料呈现富电子性,促进了盐离子的扩散;其三,BCN纳米片材料中含有B-N键,提高了材料的亲水性。

用于海水淡化的类石墨烯BCN纳米片材料的设计及性能

图3. (a-b) BCN和N-C的氮吸附曲线和孔径分布图。

用于海水淡化的类石墨烯BCN纳米片材料的设计及性能

图4.(a)BCN和N-C的XPS全谱图;(b-d)BCN的N1s,C1s和B1s的谱图

 

这一研究成果,拓展并揭示了BCN材料的应用潜力,为新结构高性能CDI电极材料之创制提供了新思路。

 

材料制备过程:

BCN前驱体的制备: 将15 g的尿素装于带盖100 ml的坩埚中,之后,将坩埚置于马弗炉中,以5 ℃/min的速率升温至550 ℃并恒温4 h,获得g-C3N4。将0.5g g-C3N4,3.24 g葡萄糖分散于60 mL水中,超声1 h,然后转移到100 mL反应釜中,于180 ℃下处理10 h,冷却后洗涤,干燥。BCN纳米片的制备:将上述所得前驱体与硼酸混合(质量比为3:1),分散于60 mL的水中,加热搅拌、蒸干,转移到管式炉中,氮气保护下于900 ℃下处理 3 h。

 

Shiyong Wang, Gang Wang, Tingting Wu, YunqiZhang, Fei Zhan, Yuwei Wang, Jigang Wang, Yu Fu, and Jieshan Qiu. BCN Nanosheets Templated from g‐C3N4 for High Performance Capacitive Deionization, J. Mater. Chem. A,2018, DOI:10.1039/C8TA04058C 

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