层状化合物电极材料的制备与电吸附性能研究

电吸附水处理技术近年来受到了广泛的关注，而电极材料是决定电吸附性能的最重要因素之一。针对常见碳材料电极的亲水性差、吸附能力有限、选择性低、易受污染物中有机质影响等问题，寻求新型高性能电极材料具有十分重要的意义。本项目拟合成一类新型的层状化合物电吸附电极材料，将层状氧化物和氢氧化物（钛酸盐、镍基水滑石）负载于导电基底（泡沫镍、多孔碳）上，利用其特殊的层状结构、高比表面积、孔道结构、层板带电荷以及大电容等性质，实现电极材料在吸附容量、稳定性、选择性和污染物深度处理等方面的性能提高。将采用多种测试手段对电极材料的组成、结构、表面特征、电化学性质、电吸附性能等进行表征，研究合成条件、材料的组成结构与电吸附性能之间的内在联系和规律，优化新型电吸附电极材料的结构，完善合成工艺，探讨新型电极除盐的吸附机理。

电吸附法是近年发展起来的一种新型水处理技术，其应用领域涉及工业废水处理、苦咸水淡化、海水淡化等多个方面。电极材料是决定电吸附技术除盐效果、能耗高低、处理周期长短等指标的关键，理想的电极材料应该具有较大的比表面积、较好的离子吸/脱附性能、较高的导电性、优良的化学和电化学稳定性。本研究针对高性能电吸附电极材料的设计合成开展工作，首先将层状化合物（水滑石、钛酸盐）负载于导电基底（泡沫镍、多孔碳）上，合成出系列层状化合物电极材料，包括泡沫镍基镍铝水滑石、镍钛水滑石、Ni0.5Co1.5(OH)4多级纳米线阵列、镍铝水滑石/碳纳米管复合材料、钛酸盐阵列以及多孔碳基钛酸盐阵列等。之后，合成出系列多孔碳电极材料，包括葡萄糖基氮掺杂介孔碳、氮掺杂碳包覆氧化石墨烯的多孔复合材料、EDTA基多孔碳。通过合成条件和电吸附除盐工艺的优化，获得了多种具有高比表面积、丰富孔结构、高比电容值、大电吸附容量和优良再生能力的层状化合物电极材料和碳电极材料，其中泡沫镍基镍铝水滑石电极对Cl-的电吸附容量达到81.2 mg/g，而EDTA基多孔碳电极对Na+的电吸附容量达到34.27 mg/g，它们超越了目前报道的大部分电吸附电极材料，且能够实现电极的完全再生，多次循环稳定。最后，探讨了层状化合物电极材料和碳电极材料的组成结构、超电容性能和电吸附性能之间的内在关联和规律，研究了新型电极材料的生成机理，为进一步设计高容量、循环稳定的电吸附电极材料提供理论和实验支持。基于以上研究，发表SCI收录论文10篇，获得国家发明专利授权2项，申请国家发明专利5项。