硫氮双掺杂多孔碳材料的合成及其电吸附性能研究

发布时间：2020-04-13 03:43

【摘要】：20世纪50年代以来,塑料的大量使用,造成了严重的白色污染;此外,随着工业的迅速发展及人口爆炸式增加,淡水缺乏及水污染问题矛盾突出。若能把塑料垃圾转化为工业材料并用于水处理,将是具有深远意义的研究课题。本论文基于脱卤反应制备了三种氮、硫双掺多孔碳材料,通过电吸附技术手段,为解决以上问题提出新方法。具体研究内容如下.:1.以聚偏二氯乙烯为碳源,二甲基亚砜及氮,氮-二甲基甲酰胺分别为硫源和氮源,快速合成了具有优异超电容和电吸附性能的氮、硫双掺多孔碳材料。它的比表面积达到699 m2 g-1,硫元素掺杂量为2.4%,氮元素掺杂量为3%。该材料在酸、碱及中性电解液中,均表现出较好的超电容性能。其中,在酸性电解质中,电容为427Fg-1,在100Ag-1下,电容保持率为60%。在40 ppm NaC1溶液中进行电吸附测试,该材料的电吸附容量达32.3 mg g-1,表现出良好的吸附效率和循环性。2.基于以上研究成果,改用常见的聚氯乙烯废旧塑料为碳源,合成了具有良好超电容性能的氮、硫双掺多孔碳材料。实验中,我们将桌布、文件袋、水管、保鲜膜等废旧塑料材料进行室温处理,将白色垃圾转化为可利用的碳电极材料。其中,以聚氯乙烯水管为原料合成的硫氮双掺杂碳材料,电容量最大为430.1 Fg-1,在低浓度的NaC1溶液中,吸附容量是32.3 mg g-1。3.基于以上研究成果,改用硫脲为硫氮同源,室温合成了可用于重金属离子吸附的氮、硫双掺碳材料。它的硫掺杂量达到13.3%,氮掺杂量达到4.5%,比表面积为1230 m2 g-1。通过电吸附技术,它对七种常见重金属离子均表现出较高的吸附容量。其中,它对Fe2+的吸附容量最大,可达125.2 mg g-1。五个循环后,吸附容量仍达120 mg g-1,去离子效率在90%以上。对Pb2+的吸附量达105.8 mg g-1。通过对以上三种硫氮双掺杂碳材料的组成和结构进行表征和分析,发现其优异电容和电吸附性能与材料本身大比表面积、多级孔结构、杂原子高掺杂量以及良好的导电性能等有关。此外,通过本论文的研究,将废旧塑料进行再处理合成电极材料,在环境保护方面具有潜在的商业价值。
【图文】：

原理,电吸附,除盐,电化学

Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４．邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｅｓｉｇｎ邋ｏｆ邋ＣＤＩ邋ｕｎｉｔ逡逑１．３．２电吸附技术发展史逡逑上世纪６０年代，电吸附技术（当时叫海水电化学除盐技术）概念由Ｂｌａｉｒ、Ｍｕｒｐｈｙ逡逑等人首次提出。石墨类和其他的碳因其表面有选择性的官能团，与溶液离子发生阳离逡逑子反应，被作为电极材料。１９６５年，７５Ｌ／天的海水淡化装被设计出来。１９６８年Ｒｅｉｄ等逡逑研究发现脱盐技术具有商业应用价值，脱盐装置长期运行后，仍保持良好的除盐能力；逡逑此外，除了吸附钠、氯离子之外，还可以有效地移去钙、镁、硫酸盐和磷酸盐离子等。逡逑１９７０年，Ｊｏｈｎｓｏｎ等［３３］提出“双电层理论”，这是电化学除盐的真实机制，从电吸附工逡逑作原理的方面说明了法拉第反应的不必要性［３４］。１９７８年，Ｏｒｅｎ、Ｓｏｆｆｅｒ等人提出“四逡逑电化学参数循环泵”的概念，作为一种高效方法可以精细地分离盐溶液和其他浓缩溶逡逑液。逡逑

时间轴,电吸附,除盐

－ｒ＾＾＾ｒ－ｎ／逦，５＇？４逡逑图１－４邋ＣＤＩ原理装置示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４．邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｅｓｉｇｎ邋ｏｆ邋ＣＤＩ邋ｕｎｉｔ逡逑１．３．２电吸附技术发展史逡逑上世纪６０年代，电吸附技术（当时叫海水电化学除盐技术）概念由Ｂｌａｉｒ、Ｍｕｒｐｈｙ逡逑等人首次提出。石墨类和其他的碳因其表面有选择性的官能团，与溶液离子发生阳离逡逑子反应，被作为电极材料。１９６５年，７５Ｌ／天的海水淡化装被设计出来。１９６８年Ｒｅｉｄ等逡逑研究发现脱盐技术具有商业应用价值，脱盐装置长期运行后，，仍保持良好的除盐能力；逡逑此外，除了吸附钠、氯离子之外，还可以有效地移去钙、镁、硫酸盐和磷酸盐离子等。逡逑１９７０年，Ｊｏｈｎｓｏｎ等［３３］提出“双电层理论”，这是电化学除盐的真实机制，从电吸附工逡逑作原理的方面说明了法拉第反应的不必要性［３４］。１９７８年，Ｏｒｅｎ、Ｓｏｆｆｅｒ等人提出“四逡逑电化学参数循环泵”的概念
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.4

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