DOI:10.1016/j.electacta.2019.135420
电容去离子(CDI)工艺要求电极材料具有较高的电吸附容量和稳定的循环性能。通过开放氮掺杂的多孔碳管复合材料(PCT-N)制备了新型CDI电极。它由相互连接的管状网络结构和分层多孔结构组成。电纺聚丙烯腈/醋酸锌(PAN/Zn(Ac)2)纳米纤维表面包覆一层沸石咪唑酸酯骨架(ZIF,金属有机骨架的一个亚科)纳米晶作为碳化的前驱体。制备的PCT-N材料具有高的氮掺杂量和横向介孔的中空大孔结构。它具有优良的导电性、较高的比表面积和较大的总孔隙体积。该材料在500 mg L-1初始NaCl溶液中具有16.7 mg g-1的盐吸附能力,在100个循环中表现出良好的循环稳定性。这种PCT-N电极为CDI技术的发展提供了一种理想的替代选择。
图1.氮掺杂多孔碳管复合材料(PCT-N)的制备过程。
图2.PAN/Zn(Ac)2-1.75(a)、PAN/Zn(Ac)2@ZIF-1.75(b)、PCT1.5-N(d)、PCT1.75-N(e)和PCT2-N(f)的扫描电镜图像;(c)PAN/Zn(Ac)2@ZIF-1.75的EDS图谱。
图3.PAN/Zn(A c)2@ZIF-1.75(a)、PCT1.75-N(b)的高倍放大扫描电镜图像;(c)PAN/Zn(Ac)2@ZIF形成PCT-N过程的示意图(横截面)。
图4.(a)PAN/Zn(Ac)2、PAN/Zn(Ac)2@ZIF和ZIF-8的XRD图谱;(b)PAN/Zn(Ac)2和PAN/Zn(Ac)2@ZIF的FT-IR光谱。
图5.XPS测量光谱(a)、PCT1.75-N的反褶积C1s峰(b)和N1s峰(c);拉曼光谱(d)、PCT1.5-N、PCT1.75-N和PCT2-N的氮吸附-解吸等温线(e)和孔径分布曲线(f)。
图6.(a)扫描速率为5 mV s-1的PCT1.5-N、PCT1.75-N和PCT2-N电极的CV曲线;(b)不同扫描速率的PCT1.75-N电极的CV曲线;(c)PCT1.5-N、PCT1.75-N和PCT2-N电极的特定电容与扫描速率的关系;(d)不同电流密度下的PCT1.75-N电极的GCD曲线;(e)PCT1.75-N电极在5 A g-1电流密度下的循环性能(插图为循环前后的GCD曲线);(f)PCT1.5-N、PCT1.75-N和PCT2-N电极在0.01 Hz-100 kHz频率范围内的奈奎斯特图及其拟合曲线。(f)中的插图表示高频区的部分扩大和相应的等效电路。
图7.PCT-N电极在初始浓度为200 mg L-1的NaCl溶液中1.2v充电过程中的电导瞬态(a)和CDI Ragone图(b);(c)PCT-N电极的SAC和电荷效率;(d)PCT1.75-N电极在500 mg L-1 NaCl溶液中的循环电吸附实验;(e)PCT-N电极的电吸附机理示意图。