Lengva naujojo grafeno kempinės sintezė didelio našumo talpinei dejonizacijai | mokslinės ataskaitos

Lengva naujojo grafeno kempinės sintezė didelio našumo talpinei dejonizacijai | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Elektrochemija
  • Grafenas

Anotacija

Talpinė dejonizacija (CDI) yra veiksminga gėlinimo technika, siūlanti tinkamą kelią švariam vandeniui gauti. Norint pasiekti puikų CDI veikimą, skubiai reikėjo pritaikyti racionaliai suprojektuotą elektrodų struktūrą. Šiame darbe pirmą kartą buvo pasiūlyta nauja grafeno kempinė (GS) kaip CDI elektrodas. GS buvo pagamintas naudojant tiesiogiai užšaldantį grafeno oksido tirpalą, po to atkaitinant azoto atmosferoje. GS morfologijai, struktūrai ir elektrocheminėms charakteristikoms buvo būdinga skenavimo elektronų mikroskopija, Ramano spektroskopija, azoto adsorbcija-desorbcija, rentgeno fotoelektroninė spektroskopija, ciklinė voltamperometrija ir elektrocheminės varžos spektroskopija. Buvo tiriamos GS elektrosorbcijos savybės NaCl tirpale ir palygintos su nesugadinta grafenu (PG). Rezultatai rodo, kad dėl unikalios 3D tarpusavyje sujungtos porėtos struktūros, didelio prieinamo paviršiaus ploto ir mažo įkrovos perdavimo pasipriešinimo, GS elektrodas pasižymi ypač aukšta 14, 9 mg g- 1 elektrosorbcijos geba, kai pradinė NaCl koncentracija yra ~ 500 mg L −1, kuri yra maždaug 3, 2 karto didesnis nei PG (4, 64 mg g- 1 ), o mūsų žiniomis, ji turėtų būti didžiausia grafeno elektrodų, panašių eksperimentinių sąlygų, reikšmė. Šie rezultatai rodo, kad GS turėtų būti perspektyvus kandidatas į CDI elektrodą.

Įvadas

Talpinė dejonizacija (CDI), dar vadinama elektrosorbcija, pastaraisiais metais sulaukė didžiulio dėmesio kaip energiją taupanti ir aplinkai nekenksminga gėlinimo technika, nes ji gali būti vykdoma aplinkos sąlygomis ir esant žemai įtampai (<2 V) be antrinių atliekų. nereikia aukšto slėgio siurblių, membranų, distiliavimo kolonų ar šiluminių šildytuvų. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 . Kaip elektrocheminis vandens valymo metodas, CDI sukurtas remiantis elektrinio dvigubo sluoksnio (EDL) kondensatoriaus principu. Esant išoriniam elektrostatiniam lauko tiekimui tarp elektrodų, įkrauti jonai gali judėti link priešingai įkrautų elektrodų ir būti pritraukti per tirpalą ir elektrodo sąsają suformuotoje EDL (1a pav.). Todėl elektrodo jonų adsorbcijos geba yra tiesiogiai susijusi su elektrodo medžiagų fizinėmis savybėmis ir vidine struktūra, tokia kaip elektros laidumas, paviršiaus plotas ir porų dydis 10, 11 .

Image

a) CDI proceso schema. Pagrindinis CDI principas apima įtampos (<2, 0 V) taikymą tarp dviejų priešingai išdėstytų elektrodų. Fizinis vanduo teka per tarpiklį, įterptą tarp priešingai išdėstytų elektrodų. Taikant elektrinį potencialą CDI elementui, Na + ir Cl - traukiami link priešingai įkrautų porėtų anglies elektrodų ir vėliau kaupiami jų viduje. Taigi gautame vandenyje yra sumažintas druskos kiekis. Šis reiškinys panašus į energijos kaupimą superkondensatoriuose ir baterijose. b) GS parengimo procedūros schema; (c) GOS ir (d) GS aukštos skiriamosios gebos C1s XPS.

Visas dydis

Paprastai CDI elektrodai paprastai gaminami iš porėtų anglies medžiagų, tokių kaip aktyvuota anglis (AC) 12, 13, 14, anglies nanovamzdeliai (CNT) 15, 16, 17, 18, 19, anglies oro gelis (CA) 20, 21, 22., anglies pluoštai (CNF) 23, 24, 25, mezoporinė anglis (MC) 26, 27 ir kt. Tarp šių anglies rūšių yra grafenas, turintis lanksčią plokščią struktūrą (ypač ploną sluoksnį), didelį savitąjį paviršiaus plotą (teoriškai ~ 2600 m 2 g −1 ) ir puikų elektronų judrumą (teoriškai ~ 2, 5 × 10 5 cm 2 V −1 s −1 esant 1 kambario temperatūros), teoriškai ir eksperimentiškai įrodyta, kad turi geresnį CDI rodiklį - 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 . Tačiau dėl stipraus agregacijos tarp grafeno nanoselektrinių elementų redukcijos proceso metu nesugadinto grafeno (PG) paviršiaus plotas buvo palyginti mažas, todėl jo elektrosorbcijos geba buvo maža - 0, 45–1, 85 mg g –1 28, 29, 30, o tai trukdo jo taikymas CDI. Siekiant išvengti šios problemos, buvo imtasi įvairių metodų, kaip užkirsti kelią grafeno lakštų aglomeracijai, siekiant pagerinti jų CDI veikimą. Pavyzdžiui, įvedus kai kurias kviestines medžiagas, tokias kaip piridinas 31, CNT 35, 36, MC 26, AC 37 ir skiriamąją gebą 38, 39 kaip „tarpiklius“ tarp grafeno lakštų, kad susidarytų sumuštinio struktūra, elektrosorbcijos talpa (0, 83–3, 23 mg) g −1 ) akivaizdžiai padidėjo, palyginti su PG. Nepaisant to, buvo sunku išlaikyti „tarpiklius“ tolygiai paskirstytus tarp grafeno lakštų, todėl grafenas vis dar iš dalies egzistavo šiuose kompozicijose 40 . Todėl reikia dar labiau stengtis suprojektuoti ir optimizuoti grafeno struktūrą, kad jis būtų praktiškai pritaikomas CDI. Neseniai buvo sukurta trijų dimensijų (3D) makroporinio grafeno architektūra, pasižyminti plataus porų dydžio pasiskirstymu, panaudojant polistireno mikrosferas kaip aukojimo šablonus. Jie turėjo didelį paviršiaus plotą, didelį porų tūrį ir tokiu būdu pasiekė aukštą 3, 9 mg g –1, 3 . Kitas darbas, kurį atliko Yan ir kt. 1 pranešė apie kempine pritaikytą strategiją, kaip paruošti grafeną su dideliu paviršiaus plotu ir tinkamo dydžio pasiskirstymu, o jo elektroripcijos geba pasiekė labai didelę vertę - 4, 95 mg g −1 . Neatmetama galimybė, kad 3D makroporinis grafenas ir kempine templuojamas grafenas gali užkirsti kelią grafeno lakštų aglomeracijai ir padidinti specifinį paviršiaus plotą, taip padidindami elektrosorbcijos gebą. Tačiau šių medžiagų sintetinės strategijos yra gana sudėtingos, daug laiko reikalaujančios ir praktiškai brangios. Be to, siekiant patenkinti praktinio CDI poreikį, dar reikia toliau didinti elektrosorbcijos pajėgumus. Taigi, atliekant CDI tyrimus, neatidėliotinas poreikis turėtų būti lengvai įgyvendinamos ir nebrangios strategijos gavimas grafeno struktūrai, pasižyminčiai dideliu elektrosorbcijos pajėgumu.

Šiame darbe buvo pagaminta nauja grafeno kempinė (GS), naudojant tiesiogiai užšaldytą grafeno oksido (GO) tirpalą, po to atkaitinant azoto atmosferoje. Gautas GS rodo porėtą struktūrą, kurios didelis savitasis paviršiaus plotas yra 356, 0 m 2 g −1 . Kai GS naudojamas kaip CDI elektrodas, NaCl tirpale, kurio pradinė koncentracija yra ~ 500 mg L −1, ultravioletinės absorbcijos geba yra 14, 9 mg g – 1 .

Rezultatai ir DISKUSIJA

1b paveiksle pavaizduotas GS gamybos būdas. GO kempinė (GOS) buvo pagaminta džiovinimo-užšaldymo būdu, kuriame svarbų vaidmenį atliko stipri GO sąveika vandenyje. Šiame procese GO sąveika buvo pakankamai tvirta, kad GO tirpalas galėtų būti tiesiogiai užšaldytas, kad susidarytų kempinė. Po atkaitinimo buvo gauta kempinė grafeno architektūra GS. Palyginti su literatūroje 1 aprašytu kempinės šablono metodu, šio darbo strategija yra paprastesnė, nebrangi ir lengvai pritaikoma didelio masto produkcijai. GOS ir GS paviršiaus kompozicijos buvo patikrintos rentgeno fotoelektronine spektroskopija (XPS). Remiantis 1c paveiksle nurodytu GOS C1s spektru, smailės stebimos 285, 0, 287, 1, 288, 4 ir 289, 0 eV, esant sp 2 aromatiniams žiedams, ir su deguonimi susijusios funkcinės grupės C – OH, C = O. ir COOH, atitinkamai, 41, 42, 43 . Tačiau šios, su deguonimi susijusios, funkcinės grupės smarkiai susilpnėja GS, kaip parodyta 1d paveiksle, nurodant, kad dauguma šių grupių buvo efektyviai pašalintos po atkaitinimo. Rezultatas yra panašus į ankstesnę ataskaitą 43 . XPS analizė patvirtina, kad atkaitinimo metu GOS buvo sėkmingai sumažinta iki GS.

2a, b paveiksluose parodyta PG morfologija atitinkamai mažu ir dideliu padidinimu. Kaip parodyta, PG parodo plokštumos struktūrą su kai kuriais grafeno lakštais, susikaupusiais ant grafito trombocitų, dėl stiprios Van der Waals jėgos tarp atskirų grafeno nanoskopų. Nepaisant to, kaip parodyta 2c paveiksle, GS turi sujungtą porėtą 3D struktūrą iš atsitiktinai orientuotų, traškių lapų. Didelio padidinimo skenavimo elektroninės mikroskopijos (SEM) vaizdas 2d paveiksle aiškiai parodo, kad gauta 3D GS struktūra sudaryta iš gofruotų ir slinkties grafeno nanoskopų. Šios garbanos ir raukšlės aiškiai apsaugo nuo grafeno lakštų atsikartojimo kartu. Be to, GS ir PG mikrostruktūros buvo ištirtos perdavimo elektroniniu mikroskopu (TEM), kaip parodyta 2e paveiksle, f. Galima pastebėti, kad PG rodo daugiasluoksnę grafeno struktūrą, kai kurie grafeno lakštai sudedami į grafito trombocitus (2e pav.). Pasirinkto ploto elektronų difrakcijos (SAED) rezultatas rodo, kad PG turi polikristalinę struktūrą, o vidinis apskritimas yra šviesesnis už išorinį apskritimą (2e paveikslo įdėklas), parodydamas, kad PG sudaro daugiasluoksniai grafeno lakštai 44, 45 . Nors eksfolijuotus atsitiktinių dydžių GS grafeno lakštus galima atpažinti pagal struktūrų raukšles ir raukšles (2f pav.), Iš tikrųjų, grafeno lakštų suglamžytas paviršius ir kraštas yra naudingi jonų adsorbcijai ir visiškai išnaudoja paviršiaus plotą. grafenas 46 . SAED schema GS rodo šešiakampius difrakcijos taškus (2f paveikslo įterpimas), rodančius, kad GS turi nedaug sluoksniuotos struktūros 47, 48, 49 . Yra žinoma, kad EDL dideliame neapsaugotame plote gali suteikti pakankamai prieinamų vietų jonams kauptis, o tarpas tarp porų gali būti efektyvus greito masės perdavimo kanalas 1 . Todėl tikimasi, kad GS bus pageidautina elektrodų medžiaga didelio našumo CDI.

Image

(a – d) PG (a, b) ir GS (c, d) SEM atvaizdai esant mažam ir dideliam padidinimui. (e, f) PG (e) ir GS (f) TEM vaizdai. (E) ir (f) intarpai yra atitinkamai PG ir GS SAED modeliai.

Visas dydis

Porų struktūra ir savitasis bandinių paviršiaus plotas buvo tiriami azoto adsorbcijos – desorbcijos izotermomis, kaip parodyta 3 paveiksle. Tiek GS, tiek PG rodo tipišką IV tipo histerezės kilpą, apibrėžtą IUPAC, būdingą mezoporinėms medžiagoms 11 . Histerezės kilpa, atsirandanti esant mažesniam santykiniam slėgiui (0, 4–0, 8), rodo mezoporų buvimą, o esant aukštesniam santykiniam slėgiui (0, 8–1, 0) - makroporoms 32 . Apskaičiuota, kad GS savitasis paviršiaus plotas yra didelis - 356, 0 m 2 g −1, o porų tūris 1, 51 cm 3 g −1, tai yra maždaug dvigubai daugiau nei PG (150, 5 m 2 g −1 ir 0, 83 cm 3 g - 1 ). Nauja GS 3D architektūra gali veiksmingai užkirsti kelią sukibimui tarp grafeno tarpsluoksnių ir tokiu būdu prisideda prie daug didesnio specifinio paviršiaus ploto ir porų tūrio, kurie užtikrina daugiau jonų adsorbcijos vietų gėlinimo proceso metu. GS ir PG porų dydžio pasiskirstymo profiliai, gauti iš izotermų desorbcijos atšakų, naudojant Barrett – Joyner – Halenda modelį, yra parodyti atitinkamai 3a ir b paveiksluose. Palyginti su PG, GS rodo daug daugiau mezoporų ir makroporų, o tai atitinka SEM stebėjimus. Kaip žinoma, tarpusavyje sujungti makroporai grafeno rėmuose yra palankūs jonų buferiui, kad sutrumpėtų difuzijos atstumai nuo išorinio elektrolito iki vidinių paviršių 32, 50, o plonos sienos mezoporos gali padidinti jonų pernešimo ir elektrosorbcijos gebą 10, 50 .

Image

Intarpai yra atitinkamai GS ir PG porų dydžio pasiskirstymas.

Visas dydis

Norėdami dar kartą patvirtinti, kad naujoji 3D 3D architektūra padeda išvengti grafeno lakštų sukravimo, buvo panaudota Ramano spektroskopija, norint įvertinti GS ir PG storį ir grafinę kokybę, parodyta 1 papildomame paveiksle. Grafinių medžiagų D juosta yra sutrikimo matas ir atsiranda dėl A 1g simetrijos k-taško fononų kvėpavimo režimo, o G juosta yra susijusi su sp 2 anglies domenų konjuguota struktūra. D juostos ir G juostos intensyvumo santykis (I D / I G ) GS yra apie 1, 04, tuo tarpu PG vertė yra tik 0, 90, tai reiškia, kad sumažėja vidutinis sp 2 domenų dydis ir iš dalies nustatyta kristalų struktūra GS, palyginti su PG 42, 51 . Ankstesni darbai pranešė, kad didesnis I D / I G yra naudingas krūvio perdavimui adsorbcijos procese 15, 52 . Taigi tikimasi, kad GS paspartins mokesčio perkėlimą. Be to, 2D juosta galėtų būti naudojama grafeno lakštų storiui 53, 54 nustatyti . Platesnė ir asimetrinė 2D juosta paprastai rodo padidėjusius grafeno sluoksnius 1 . Aišku, GS, palyginti su PG, stebima aštri 2D juosta, o tai rodo mažesnį grafeno lakštų sukravimą, kuris atitinka SEM ir TEM stebėjimus. Taigi, Ramano rezultatai rodo, kad GS turi mažiau sluoksniuotą ir didesnę netvarkingą grafinę struktūrą nei PG, tai reiškia, kad grafeno lakštai turi būti pakankamai nusausinti, naudojant džiovinimo užšaldymu metodą. Anksčiau buvo pranešta, kad tokia struktūra padeda pagerinti elektros laidumą 1, 32 .

Norint ištirti elektrodų elektrocheminį elgesį 55, 56, buvo naudojami cikliniai voltamperometrijos (CV) matavimai. 4a paveiksle parodyta GS ir PG CV kreivė, kai nuskaitymo greitis yra 5 mV s −1 1 M NaCl tirpale, kurio potencialas svyruoja nuo –0, 5 iki 0, 5 V. Kaip aiškiai matyti, iš CV kreivių nepastebėta jokios akivaizdžios Faradaic reakcijos., kuris rodo, kad CV elgesys atsiranda dėl EDL dėl kultivinių sąveikų, o ne dėl elektrocheminių redukcijos / oksidacijos reakcijų 32 . Atkaitinimo proceso metu pašalinama didžioji dalis deguonies turinčių grupių, todėl atliekant CV matavimus Faradaic aktyvumas neaptiktas. Specifinė GS elektrodo talpa, apskaičiuota pagal CV kreivę, yra 205, 20 F g –1, o PG - tik 117, 31 F g – 1 . Didesnę GS elektrodo savitąją talpą galima priskirti jo didesniam specifiniam paviršiaus plotui ir porų tūriui, mažiau sluoksniuotai ir didesnei netvarkingai grafinei struktūrai, taip pat puikiam laidumui. Todėl reikėtų manyti, kad GS rodo didelį CDI taikymo pranašumą.

Image

(B) pradžia yra atitinkama išplėsta aukšto dažnio brėžinių sritis.

Visas dydis

Elektrocheminės varžos spektroskopijos (EIS) analizė pripažinta vienu iš pagrindinių metodų tiriant anglies elektrodo elektrinį laidumą. GS ir PG elektrodų Nyquist profiliai 1 M NaCl vandeniniame tirpale pateikti 4b paveiksle. Akivaizdu, kad brėžiniai yra panašių formų, susidedantys iš tiesinio bruožo žemo dažnio srityje ir mažo pusiau apskritimo aukšto dažnio srityje. Mažas kvazipusio apskritimas aukšto dažnio srityje gaunamas iš dvigubo sluoksnio talpos (C dl ) lygiagrečiai krūvio perdavimo varžai (R ct ) 35 . R ct galima gauti iš puslankiu skersmens. GS R ct yra apie 0, 27 Ω, tai yra daug mažiau nei PG (1, 12 Ω), tai rodo, kad GS turėtų būti mažesnis įkrovos perdavimo atsparumas ir puikus laidumas.

Norint nustatyti GS ir PG elektrodų elektrosorbcijos charakteristikas, buvo atlikti partijos režimo CDI eksperimentai NaCl tirpale, kurio pradinė koncentracija buvo ~ 50 mg L –1, esant 1, 5 V potencialui. Srovės kitimai buvo registruojami vienu metu ir nepriklausomai kiekviename iš jų. eksperimentuoti. 5a, b paveiksluose pavaizduoti atitinkamai GS ir PG elektrosorbcijos rodikliai ir tipinės srovės reakcijos. Pritaikius elektrinį lauką, adsorbcijos kiekis smarkiai padidėjo. Tuomet pokytis pamažu buvo mažesnis, kol buvo pasiekta pusiausvyra. Galima pastebėti, kad GS elektrosorbcijos geba yra 5, 52 mg g −1, tai yra beveik dvigubai didesnė nei PG (2, 36 mg g −1 ). Mūsų žiniomis, kol kas didžiausia grafeno struktūrų, kaip CDI elektrodų, vertė (1 papildoma lentelė). Tai daugiausia lemia šios priežastys: i) gamybos proceso metu šaldymo-džiovinimo metodas gali padėti užkirsti kelią grafeno lakštų pakartotiniam atsikartojimui tarpusavyje ir sudaryti sujungtą porėtą 3D tinklą, sudarytą iš atsitiktinai orientuoto, traškančio lakštai. Tokia 3D tinklo struktūra gali užtikrinti geresnį kontaktą tarp elektrodo medžiagos ir tirpalo sąsajos, taip pat palengvinti krūvio perdavimą. (ii) Gerai žinoma, kad paviršiaus plotas yra labai svarbus veiksnys elektrosorbcijai. Palyginti su grafeno struktūromis literatūroje, GS parodo didžiausią paviršiaus plotą (1 papildoma lentelė) ir šis didelis paviršiaus plotas užtikrina daugiau jonų adsorbcijos vietų gėlinimo proceso metu. (iii) GS rodo tinkamą porų struktūrą su daug daugiau mezoporų ir makroporų. Kaip gerai žinoma, grafeno karkasuose esančios tarpusavyje sujungtos makroporos yra palankios jonų buferizavimui, kad būtų sutrumpinti difuzijos atstumai nuo išorinio elektrolito iki vidinių paviršių 32, 50, o plonos sienelės mezoporos gali padidinti jonų pernešimo ir elektrosorbcijos gebą 10, 50 .

Image

Visas dydis

Įkrovos efektyvumas ( Λ ) - tai funkcinis įrankis, skirtas įžvalgai apie dvigubą sluoksnį, suformuotą tarp jungties tarp elektrodo ir tirpalo 57, 58, 59, 60, 61, apskaičiuotą pagal šią lygtį:

Image
kur F yra Faradėjaus konstanta (96485 C mol −1 ), Γ yra elektrosorbcijos talpa (mol g − 1 ), o Σ (krūvis, C g − 1 ) gaunamas integruojant atitinkamą srovę. Pagal 1 lygtį, GS įkrovimo efektyvumas nustatytas kaip 0, 50, tai yra beveik dvigubai daugiau nei PG (0, 27). Tai taip pat turėtų atsirasti dėl 3D porėtos GS struktūros, kuri palengvina jonų difuziją ir krūvio perkėlimą. Reikėtų pastebėti, kad tiek GS, tiek PG elektrodų įkrovimo efektyvumas yra mažesnis nei 1, ir tai priskiriama dėl šių priežasčių: (i) elektrosorbcijos proceso metu bendrai jonai tuo pačiu metu išstumiami iš elektrinio dvigubo sluoksnio, pritaikant adsorbcijai. jonai, o tai neigiamai veikia įkrovimo efektyvumą 37 ; (ii) rišiklis, naudojamas elektrodo gamyboje, gali sumažinti faktinį elektrodo paviršiaus plotą ir laidumą 35 . Laimei, buvo pasiūlytas efektyvus metodas šiai problemai išspręsti įvedant įkrovimo barjerinę membraną į CDI 62, 63, 64, 65 .

Adsorbcijos kinetika, nurodanti adsorbcijos greitį, yra svarbi adsorbentų savybė. Tai galima nustatyti naudojant pseudo pirmosios eilės adsorbcijos kinetiką ir pseudo antros eilės adsorbcijos kinetikos lygtis, kurios dažnai pateikiamos taip:

Image
Image
kur q e (mg g −1 ) ir q t (mg g − 1 ) yra atitinkamai pusiausvyroje adsorbuoto NaCl kiekiai ir laikas t (min). k 1 (mg g −1 min −1 ) ir k 2 (g mg −1 min −1 ) yra atitinkamai pseudo pirmosios eilės ir pseudo antros eilės lygčių adsorbcijos greičio konstantos. 6 paveiksle parodytas tiesinis atitikimas tarp lygčių ir eksperimentinių duomenų. Spartos konstantas (kaip parodyta 2 papildomoje lentelėje) galima gauti iš 6 paveiksle esančių jungiamųjų linijų šlaitų ir įsikišimų. Paprastai regresijos koeficiento artumas 1 patvirtina adsorbcijos proceso kinetikos prielaidą. Nustatyta, kad tiek pseudo pirmosios, tiek pseudo antrosios eilės kinetikos modeliai atitinka PG eksperimentinius duomenis, tačiau pseudo antros eilės kinetikos modelis geriau apibūdina GS elektrosorbcijos elgseną. Naudojant pseudo-antros eilės kinetikos lygtį, GS ir PG greičio konstantos yra atitinkamai 0, 036 ir 0, 028. Didesnė GS greičio konstanta priskiriama greitam jonų patekimui į GS paviršių per tinkamiausią porų struktūrą 66 .

Image

Visas dydis

Faktiniu atveju, jei bendras ištirpusių kietų medžiagų kiekis (TDS, išmatuotas mg L −1 ) yra didesnis nei 500 mg L −1, vanduo netinka gerti. Toliau buvo atlikti elektrosorbcijos bandymai NaCl tirpale, kurio pradinė koncentracija buvo ~ 500 mg L – 1, esant 1, 2 V įtampai (7a paveikslas). Apskaičiuota, kad GS elektrosorbcijos geba yra 14, 9 mg g −1, tai yra maždaug 3, 2 karto daugiau nei PG (4, 64 mg g −1 ). Todėl GS pasižymi geresniais pranašumais, palyginti su PG, ypač dėl didelio druskingumo dejonizacijos. GS elektrosorbcijos talpa taip pat lyginama su kitų literatūroje pateiktų anglies elektrodų medžiagų pajėgumais (3 papildoma lentelė). Akivaizdu, kad nors GS savitasis paviršiaus plotas yra santykinai mažas, panašių eksperimentinių sąlygų metu jis demonstruoja aukščiausią šių anglies elektrodų absorbcijos gebą. Yra žinoma, kad tikrasis druskingas vanduo, ypač jūros vanduo, turi įvairių jonų. Todėl GS elektrodo elektroreguliacija buvo toliau tiriama modeliuojamame tirpale, kurio koncentracija 500 mg L – 1, kurio pagrindinė druskos sudėtis yra panaši į jūros vandenį (svorio santykis visose druskos: NaCl 75, 9%, KCl 2, 0%, MgCl 2) 6, 4%, CaCl2 6, 0% ir MgSO4 9, 7%). Rezultatas buvo palygintas su gautu NaCl tirpale (7b pav.). Kaip parodyta 7b paveiksle, GS elektrodsorbcijos savybės modeliuotame tirpale yra šiek tiek geresnės nei NaCl tirpale. Buvo pranešta, kad elektrosorbcijos proceso metu didesnio valentingumo jonai gali būti efektyviau adsorbuojami dėl stipresnės elektrostatinės jėgos 29, 38 . Todėl, atsižvelgiant į dvivalenčius jonus (Mg 2+, Ca 2+ ir SO 4 2− ), GS rodo didesnį elektrosorbcijos efektyvumą imitaciniame tirpale nei NaCl tirpale. Šis rezultatas rodo, kad GS turėtų būti perspektyvus kandidatas kaip elektrodo medžiaga praktiniame CDI procese.

Image

Visas dydis

Tolesni eksperimentai buvo atlikti su NaCl tirpalais su skirtingomis pradinėmis koncentracijomis, siekiant ištirti elektrodų elektrosorbcijos izotermas. Pradinės NaCl tirpalų koncentracijos svyravo nuo 100 mg L –1 iki 2000 mg L – 1 . 8a pav. Parodyta GS ir PG elektrosorbcijos izotermos. Galima pastebėti, kad padidėjus NaCl koncentracijai, elektrosorbcijos talpa padidėja, nes tai yra dėl padidėjusio jonų masės perdavimo greičio porose ir sumažėjusio sutapimo efekto dėl didesnės tirpalo koncentracijos. Langmuiro izoterma (4) ir Freundlicho izoterma (5) yra naudojami, kad atitiktų eksperimentinius duomenis,

Image
Image
kur C yra pusiausvyros koncentracija (mg L −1 ), q yra adsorbuoto NaCl kiekis (mg g − 1 ), o q m yra maksimali adsorbcijos talpa, atitinkanti visišką monosluoksnio padengimą (mg g −1 ). 1 / n yra vienetinis Freundlicho eksponentas. 4 papildomoje lentelėje parodyti nustatyti Langmuiro ir Freundlicho izotermų parametrai ir regresijos koeficientai r 2, K L ir K F. Nustatyta, kad remiantis aukštesne regresijos konstanta r 2, Langmuiro izoterma gali geriau apibūdinti visų elektrodų elektrosorbcijos rodiklius nei Freundlicho izoterma.

Image

Visas dydis

Kaip žinoma, elektrodo medžiagoms būtina gera regeneracija. Todėl GS elektrodasorbcijos ir desorbcijos elgsena taip pat buvo ištirta pakartojant kelis įkrovimo (1, 2 V) ir iškrovimo procesus (0 V) ~ 500 mg L – 1 NaCl tirpale, kaip parodyta 8b paveiksle. Galima pastebėti, kad GS elektrodą galima visiškai regeneruoti ir pakartotinai naudoti daugiau nei 30 ciklų be jokio deklino. Šis rezultatas dar kartą patvirtina, kad GS žada būti naudojama kaip elektrodo medžiaga faktiniam CDI pritaikymui.

Išvada

Šiame darbe GS buvo paruoštas tiesiogiai džiovinant GO, po to atkaitinant azoto atmosferoje, ir pirmą kartą panaudotas kaip CDI elektrodas. Rezultatai rodo, kad (i) GS turi sujungtą 3D porėtą karkasą, kurio didelis savitasis paviršiaus plotas yra 356, 0 m 2 g −1, o porų tūris 1, 51 cm 3 g −1, daug didesnis nei PG; (ii) GS rodo labai aukštą 14, 9 mg g- 1 elektrosorbcijos pajėgumą, kai pradinė NaCl koncentracija yra ~ 500 mg L −1, tai yra maždaug 3, 2 karto daugiau nei PG (4, 64 mg g −1 ) ir taip pat didesnė nei anglies elektrodai, apie kuriuos literatūroje kalbama iki šiol; iii) padidėjęs GS elektrosorbcijos efektyvumas yra susijęs su dideliu prieinamu paviršiaus plotu ir porų tūriu, mažu atsparumu įkrovos perdavimui ir puikia porų struktūra; (iv) GS turėtų būti perspektyvus kandidatas kaip CDI elektrodo medžiaga.

Metodai

GO paruošimas

GO buvo paruoštas pagal metodą, aprašytą ankstesniame mūsų darbe 28 . Trumpai tariant, grafito milteliai buvo supilti į koncentruotos azoto rūgšties ir sieros rūgšties (santykiu 1: 2) tirpalą ir 5 valandas palaikyti 80 ° C temperatūroje. Mišinys atšaldomas iki kambario temperatūros, praskiedžiamas dejonizuotu (DI) vandeniu ir paliekamas per naktį. Tada reakcijos indas panardintas į ledo vonią ir lėtai pridedama kalio permanganato. Paeiliui mišinys maišomas ir paliekamas 2 val. Tada, praskiedus DI vandeniu, į mišinį buvo įpilama 30% H2O2, o mišinio spalva pasikeitė į ryškiai geltoną kartu su burbuliavimu. Galiausiai mišinys filtruojamas ir plaunamas atitinkamai vandeniniu HCl tirpalu (santykiu 1:10), DI ir etanoliu. Galiausiai gautas GO 24 valandas buvo džiovinamas vakuuminėje krosnyje 60 ° C temperatūroje.

GS paruošimas

Įprastu būdu buteliuko buteliuke esantis GO tirpalas (~ 4 mg mL −1 ) buvo užšaldytas, įdėdamas į šaldiklį, esant 2–18 ° C šaldymo temperatūrai. Po to, kai GO tirpalas buvo visiškai užšaldytas, buteliukas buvo perkeltas į šaldymo džiovintuvą ir 3 dienas išdžiovinamas sublimavimo temperatūroje –53 ° C ir slėgyje <10 pa, kad būtų GOS. Galiausiai GS buvo gautas atkaitinant GOS vamzdinėje krosnyje 800 ° C temperatūroje azoto srove 3 valandas. Palyginimui, PG buvo pagamintas įdedant GO į vamzdinę krosnį 800 ° C temperatūroje azoto srovei 3 valandas.

Charakteristika

Mėginių paviršiaus morfologija ir struktūra buvo apibūdinta SEM (JEOL JSM-LV5610) ir TEM (CM200). Porų dydžio pasiskirstymas ir Brunauer – Emmett – Teller savitasis paviršiaus plotas buvo išskaičiuoti iš azoto fizikinės adsorbcijos matavimo duomenų, kurie buvo gauti naudojant (ASAP 2010) Pagreitinto paviršiaus ploto ir Porosimetrijos sistemą (Micrometitics, Norcross, GA). Ramano spektrai buvo gauti Renishaw inVia mikroskopu. Kaip sužadinimo šviesos šaltinis buvo He-Ne lazeris (633 nm). XPS matavimas buvo atliktas naudojant vaizdinį fotoelektroninį spektrometrą („Axis Ultra“, „Kratos Analytical Ltd.“) su monochromatiniu Al Ka ​​rentgeno šaltiniu. CV ir EIS matavimai buvo atlikti 1 M NaCl tirpale, naudojant „Autolab PGSTAT 302N“ elektrocheminę darbo vietą trijų elektrodų režimu, įskaitant standartinį kalomelio elektrodą kaip etaloninį elektrodą, o platinos foliją kaip priešinį elektrodą. Specifinę talpą ( C , F g −1 ) galima gauti iš CV kreivių naudojant šią lygtį:

Image

kur

Image
yra vidutinė srovė (A), v yra nuskaitymo greitis (V s −1 ), o m yra elektrodų masė (g).

Elektrosorbcijos eksperimentai

Elektrodai buvo paruošti sumaišant 80 masės% mėginių, 10 masės% acetileno juodojo ir 10 masės% plyvinilo alkoholio suspensijos. Mišiniai buvo suspaudžiami ant grafito popieriaus ir džiovinami vakuuminėje krosnyje 60 ° C temperatūroje per naktį.

CDI eksperimentai buvo ištirti atliekant partinio režimo elektrosorbcijos eksperimentus su nepertraukiamo perdirbimo sistema, kaip aprašyta ankstesniuose mūsų darbuose 67 . Kiekviename eksperimente kaip tiriamasis tirpalas buvo naudojamas 50 ml tūrio analitinis grynas NaCl tirpalas, kurio tėkmės greitis buvo 27 ml min- 1 . Priešingiems elektrodams buvo taikoma tiesioginė 1, 5 V įtampa. Pradinė NaCl tirpalo koncentracija buvo ~ 50 mg L – 1, o tirpalo temperatūra buvo palaikoma 298 K. Santykis tarp laidumo ir koncentracijos buvo gautas pagal kalibravimo lentelę, sudarytą prieš eksperimentą 28 . Koncentracijos kitimas buvo nuolat stebimas ir matuojamas vieneto elemento išėjimo angoje, naudojant jonų laidumo matuoklį.

Mūsų eksperimente elektrosorbcijos talpa ( Γ , mg g −1 ) buvo apibrėžta taip:

Image

kur C 0 ir C e yra pradinė ir galutinė NaCl koncentracijos (mg L −1 ), V yra NaCl tirpalo tūris (L), o m yra bendra elektrodų masė (g).

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildomą informaciją sudaro paveikslas ir lentelės

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.