多孔硅復(fù)合電吸附電極材料制備及其性能研究-畢業(yè)論文開題報(bào)告

碩士研究生學(xué)位論文開題報(bào)告多孔硅復(fù)合電吸附電極材料制備及其 性能研究姓 名： 趙磊 班 級： 化研102班 學(xué) 號： 2001200491 專 業(yè)： 環(huán)境工程 導(dǎo) 師： 張翰 研 究 方 向： 電吸附水處理技術(shù) 東北電力大學(xué)研究生部制2013年 11 月 9 日填表說明與要求1.開題時，報(bào)告人應(yīng)向開題報(bào)告審查小組提供一定數(shù)量與論文選題直接相關(guān)的參考文獻(xiàn)實(shí)物，具體數(shù)量由各學(xué)科專業(yè)自行確定。2.文獻(xiàn)綜述一般應(yīng)包括選題的背景及研究意義、與論文選題相關(guān)的國內(nèi)外研究的進(jìn)展、現(xiàn)狀、問題與發(fā)展趨勢、本選題擬主要研究的內(nèi)容及采取的研究方案、技術(shù)路線等等。文科不得少于5000字，理科不得少于3000字。3.參考文獻(xiàn)格式參照學(xué)位論文。4.論文開題時間一般應(yīng)在入學(xué)后第三學(xué)期11月末之前完成。5.開題報(bào)告的格式和內(nèi)容可根據(jù)學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)作適當(dāng)調(diào)整。 6.開題報(bào)告中的字體均用宋體五號字，用A4紙打印，于左側(cè)裝訂成冊。一、選題的背景及研究的目的和意義1 選題的背景 水資源短缺是全球面臨的一個嚴(yán)重問題，我國面臨著水資源的嚴(yán)重短缺1，所以廢水的再利用以及苦咸水淡化已引起了人們的高度重視，而除鹽則是水處理的一個重要部分. 傳統(tǒng)的除鹽方法有蒸餾、離子交換、電滲析、反滲透等，但這些方法都有局限性，比如，蒸餾能耗較高;離子交換會產(chǎn)生二次污染;電滲析和反滲透的膜處理投資大，維護(hù)繁瑣. 電吸附除鹽2-4是近些年發(fā)展起來的一種新型水處理方法，是通過在電極表面施加電壓或電流，使帶電離子向相反的電極運(yùn)動并吸附在電極上，從而達(dá)到除鹽的目的. 相對于其他的水處理方法，電吸附具有投資少、能耗低、無二次污染、循環(huán)壽命長和再生容易等 優(yōu)點(diǎn)，是一種既經(jīng)濟(jì)又有效的方法，因此，電吸附除鹽在水處理中有著廣闊的應(yīng)用前景. 電吸附的處理效果取決于電極材料。用于電吸附技術(shù)的電極材料通常具有如下特性：（1）比表面積大；（2）導(dǎo)電性能好；（3）化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性好；（4）易于成型。與傳統(tǒng)的電極材料石墨、活性炭、活性炭纖維、碳?xì)饽z和碳納米管相比多孔硅具有更大的電容量4200 mAh.g-，更強(qiáng)的吸附性能，因此具有廣闊的前景。而多孔硅有電阻率較高的缺點(diǎn)，而與導(dǎo)電聚合物進(jìn)行復(fù)合不僅能極大提高其導(dǎo)電性，還能增加其吸附容量。目前，多孔硅復(fù)合電吸附材料還尚未見報(bào)道。 本課題由鎂熱還原法制得多孔硅，以聚苯胺為粘合劑復(fù)合金屬銅，進(jìn)而制得復(fù)合電極，有望得到一種導(dǎo)電性能良好、吸附容量高、除鹽性能好的新型電極。2 研究的目的及意義2.1研究的目的本課題是利用鎂熱還原法制備多孔硅并以聚苯胺為粘合劑復(fù)合金屬銅制得新型電極材料，進(jìn)而提高電吸附容量。1).研究一種導(dǎo)電性能良好、吸附容量高、除鹽性能好的新型電極材料。 2).考察聚苯胺加入量對電極吸附容量和除鹽性能的影響；3)通過對電極的物理結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能分析，進(jìn)一步闡述聚苯胺加入量與吸附容量的關(guān)系。2.2 研究的意義 1).為解決淡水問題、水污染問題做出貢獻(xiàn)； 2).拓寬電極材料領(lǐng)域，提高電吸附效率。 3).進(jìn)一步開發(fā)多孔硅的用途，使其研究不斷深入； 綜上所述，由鎂熱還原法制得多孔硅，以聚苯胺為粘合劑復(fù)合金屬銅進(jìn)而制得復(fù)合電極，有望得到一種導(dǎo)電性能良好、吸附容量高、除鹽性能好的新型電極。二、本選題研究領(lǐng)域國內(nèi)外的研究動態(tài)及發(fā)展趨勢 對電吸附技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，俄克拉荷馬大學(xué)的研究人員利用電吸附原理，從略帶堿性的水中去除了鹽分5。在Caudle等的報(bào)告中描述了使用多孔電極的電容去離子裝置6。Johnson 和Newman等的研究則包括驗(yàn)證過程的理論基礎(chǔ)、參數(shù)研究和對多種候選電極材料的評價(jià)7。 國外在電吸附應(yīng)用方面取得研究成果最多的是美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，他們從上個世紀(jì)90年代，采用內(nèi)部孔隙極多的炭氣凝膠作為電極材料開發(fā)出來一套電容性除鹽實(shí)驗(yàn)裝置。雖然具有一定的除鹽效果，但材料制作工藝復(fù)雜，制作成本很高，妨礙了這一技術(shù)的推廣8。2003 年加拿大Enpar 公司開發(fā)出一系列的電吸附裝置，其能選擇性地去除水中的NH4+和NO3-，能將NH4+和NO3-質(zhì)量濃度分別為500、270 mg/L 的原水，處理至總氮質(zhì)量濃度低于10 mg/L，得水率高達(dá)95%，并且經(jīng)過連續(xù)3 個月的運(yùn)行，去除率和得水率基本沒有下降9。國內(nèi)在電吸附技術(shù)的研究起步比較晚，這方面的文獻(xiàn)并不多見，國內(nèi)陳福明、尹廣軍等1999報(bào)道了用多孔大面積電極去除水中離子的方法，并對電吸附進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究10。楊慧云對NaCl溶液進(jìn)行電容性除鹽，結(jié)果分析表明，當(dāng)溶液種類和濃度一定時，電極的吸附容量隨外加電壓的增加而增大，當(dāng)溶液種類和外加電壓確定后，吸附容量隨著濃度的增加而增大，并達(dá)到一個極限值吸附24。莫劍雄也嘗試?yán)秒p電層電容的原理進(jìn)行電吸附裝置的研究11。2000年在留美回國的電吸附專家孫曉慰博士帶領(lǐng)下，在江蘇常州成立常州愛思特凈化設(shè)備有限公司，并在北北京建立的國內(nèi)第一個電吸附實(shí)驗(yàn)研究中心，開始了電吸附技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，并在電極材料研制、核心部件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制和集成等方面鉆研下，取得了突破性進(jìn)展12-15。從以研究的報(bào)道看來，電極的吸附容量和吸附速率與電極材料的比表面積、比電容、以及導(dǎo)電性能密切相關(guān)。2.1電極比表面積的發(fā)展動態(tài)肖書彬等16通過研究活性炭負(fù)載量對電極比表面積的影響，探討了一種提升炭電極電容去離子性能的有效方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加活性炭負(fù)載量可有效提升電極比表面積，電極電容最高可達(dá)0.56 F/cm2，表現(xiàn)出較好的電容去離子性能。持續(xù)增加活性物質(zhì)雖對電極內(nèi)電阻影響較小，但不能進(jìn)一步提高電極吸附表面，比電容急劇下降。優(yōu)化電極孔隙結(jié)構(gòu)是提升活性炭電極電吸附性能的有效方法。較高的電極比表面積有利于提升單位面積的離子吸附量，表現(xiàn)出更好的脫鹽率。 郗麗娟17等采用sol-gel 法制備了納米ZnO-AC 電極，以提高電吸附容量。研究結(jié)果表明，AC 電極表面負(fù)載了一定量的納米ZnO，其形態(tài)為棒狀結(jié)構(gòu); 經(jīng)比表面積測定，AC 電極比表面積從785 m2 /g 增加到1120 m2 /g; 對KCl 的吸附試驗(yàn)表明，當(dāng)極板有效面積5 cm 5 cm，兩極板間距0 5 cm，電壓1 6 V，流速20 mL/min，原水為KCl 溶液，原水電導(dǎo)320 s /min 時，除鹽效率達(dá)到62 25%; 并且經(jīng)過5 個循環(huán)，除鹽效率基本沒有降低，納米ZnO-AC 電極表現(xiàn)出良好的重復(fù)使用性能。2.2電極比電容的發(fā)展動態(tài)Lu等18采用界面修飾法合成了TPH/MnO2介孔納米復(fù)合材料，在10Ag-1高電流密度恒流充放電過程中的比電容達(dá)到285Fg-1，在2Ag-1 電流密度下循環(huán)1000次后比容量仍保持97.3%，表現(xiàn)出優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。Patil等19采用聲化學(xué)方法在不銹鋼基體上沉積Mn摻雜聚苯胺(PANI)薄膜。在1.0molL-1 H2SO4電解液中用循環(huán)伏安法測試電極材料的電化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著Mn含量的增多，電極材料的比電容從285Fg-1增加到474Fg-1。Sharma 等20研制出的超級電容器電極材料中采用聚苯乙烯磺酸（PSS）分散多層碳納米管作為PPY/MnO2復(fù)合物的支撐材料，這種MWCNT-PSS/PPY/MnO2納米復(fù)合材料的電極在0.5molL-1 MnO2電解質(zhì)中的比電容高達(dá)412Fg-1，在5mVs-1的掃描速率下循環(huán)5000次電容量僅僅損失10%，表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能，他們認(rèn)為PPY與MnO2的協(xié)同作用明顯改善了復(fù)合材料的電化學(xué)特性。Ni等 采用一種原位聚合反應(yīng)合成聚苯胺(PANI)/MnO2納米復(fù)合材料，通過形貌分析發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合材料具有多孔結(jié)構(gòu)，其中MnO2顆粒（515nm）均勻分散在聚苯胺支撐物上，在0.5molL-1 H2SO4中性溶液中通過循環(huán)伏安和計(jì)時電位法測試電化學(xué)性能，結(jié)果表明這種電極材料在1.OAg-1電流密度下的恒流充放電得到的比電容高達(dá)510Fg-1。Prasad等21首先在不銹鋼基片上沉積一層聚苯胺，然后再進(jìn)一步沉積MnO2，通過調(diào)節(jié)聚苯胺薄膜厚度和MnO2的沉積量，得到最優(yōu)復(fù)合材料，其比電容高達(dá)715Fg-1，能量密度約200whkg-1。SUN等22采用了共沉積法制備MnO2/PANI復(fù)合電極材料，制備的MnO2/PANI復(fù)合材料比單純PANI薄膜結(jié)構(gòu)更致密、有效面積更大，在-0.21.45V的電位范圍下通過循環(huán)伏安法測試，其比電容可達(dá)到532Fg-1，充放電1200次后，電容保持率在76%以上，庫侖效率仍維持在97.5%左右。 多孔硅的電容能達(dá)到4200mAh.g-，但在電吸附電極材料中還未見報(bào)道。2.3電極導(dǎo)電性能的發(fā)展動態(tài) 劉紅23在活性炭粉末中添加膨脹石墨制備復(fù)合電極，提高了電極整體的導(dǎo)電性，同時改變活性炭顆粒間的接觸方式，有效的利用了活性炭表面吸附位，實(shí)現(xiàn)電極的脫鹽性能的增強(qiáng)。在正負(fù)電極前分別加入陰陽離子交換膜組構(gòu)筑膜電極，當(dāng)溶液濃度較高時，離子交換膜復(fù)合炭電極脫鹽量增加了50%，電流效率增加了17%，同時復(fù)合炭電極的循環(huán)再生性能得到極大的改善。 張波24等研究了炭氣凝膠/TiO2復(fù)合材料的組坑以及電容器多次循環(huán)后的阻坑，但除了復(fù)合材料阻抗小，說明電解液能在炭氣凝膠內(nèi)較快移動，材料孔隙率利用率高，離子擴(kuò)散阻力小，且在多次充放電后，電阻值改變不大。 多孔硅和納米導(dǎo)電集合物均具有較大的比表面積，多孔硅的電容能達(dá)到4200mAh.g-，多孔硅里導(dǎo)電聚合物復(fù)合銅以后具有較好的導(dǎo)電性能，但其復(fù)合電極在超級電容器和電吸附電極中還未見報(bào)道。三、本選題擬主要研究的內(nèi)容及采取的研究方案、技術(shù)路線3.1 研究的內(nèi)容1） 多孔硅復(fù)合電極比表面積對吸附性能的影響。2） 多孔硅復(fù)合電極比電容對吸附性能的影響。3） 多孔硅復(fù)合電極導(dǎo)電性能對吸附性能的影響。4） 3.2 研究方案3.2.1 多孔硅復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)表征 SEM表征，XRD表征，測定多孔硅比表面積大小，與傳統(tǒng)電極材料對比得出結(jié)論。3.2.2 多孔硅復(fù)合電極電極的電化學(xué)性能測試循環(huán)伏安法，交流阻抗測試(EIS)，測定電極材料的電阻。3.2.3多孔硅比電容性能測試 用恒電流充放電法測試測試復(fù)合電極材料的比電容以及循環(huán)壽命，根據(jù)對材料的估計(jì)，通過對電化學(xué)工作站控制充放電過程的電流密度控制電流數(shù)值不變，對材料進(jìn)行充電和放電測試，得到電極材料充放電曲線，能較好的側(cè)的電極材料的比電容。 3.3 技術(shù)路線 多孔硅復(fù)合電極 電化學(xué)性能 比電容 結(jié)構(gòu)表征循環(huán)伏安法 EIS 哼電流充放電法SEM SRD多孔硅復(fù)合電極材料性能 電阻率 比電容大小比表面積大小多孔硅復(fù)合電極材料除鹽性能4、 本選題在研究過程中可能遇到的困難和問題，提出解決的初步設(shè)想研究過程可能遇到的問題以及解決辦法：1電脫附時間短而造成電吸附效率和電極重復(fù)利用率下降，時間過長引起離子反相吸附。解決辦法：吸附過程完成后，電極反接，控制一系列電極反接時間，測定脫落后溶液離子濃度確定范姐時間。2 制備的電極為板狀，因正負(fù)電極間距一般小于1cm，因其太小而不容易控制，且易發(fā)生短路。解決辦法：自制電吸附裝置，使電極位置固定且電極間距可調(diào)。五、本選題研究的進(jìn)度安排及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)5.1 進(jìn)度安排 1）2013.092013.10 查閱文獻(xiàn)，調(diào)研，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性； 2）2013.112014.01 制備多孔硅復(fù)合電極并進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)性能測試以及比電容性能測試； 3）2014.032014.04 組裝成電吸附組裝，確定最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)； 4）2014.052014.06 考察聚苯胺加入量對電極吸附容量和除鹽性能的影響； 5）2014.092014.10分析實(shí)驗(yàn)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)整體效果；查漏補(bǔ)缺，對項(xiàng)目進(jìn)行整理，修改，補(bǔ)充； 6）2014.112015.03 撰寫學(xué)位論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。5.2 預(yù)期達(dá)到的目標(biāo) 經(jīng)過摸索，試驗(yàn)，制備出最佳條件下的多孔硅復(fù)合電極，并組裝成電吸附裝置，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，應(yīng)用在實(shí)際水處理中。 在國際國內(nèi)重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文12篇。6、 參考文獻(xiàn)1王芝國, 錢振水.重視再生水利用, 建設(shè)節(jié)水型社會 .北京, 2009.2董曉寧, 王亞麗. 電吸附技術(shù)在水處理中的應(yīng)用及其研究進(jìn)展J. 廣東化工, 2010, 37(208): 26-29.3韓寒, 陳新春, 尚海利. 電吸附技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用J. 工業(yè)水處理, 2010, 2(30): 20-23.4王鑫, 包景嶺, 馬建立. 電吸附除鹽技術(shù)之電極材料研究進(jìn)展J. 四川環(huán)境, 2010, 29(2): 119-122.5陳榕, 胡熙恩. 電吸附技術(shù)的應(yīng)用與研究J. 化學(xué)進(jìn)展, 2006, 18(1): 80-86.6Hong-Joo Ahn, Jong-Ho Lee, Yongsoo Jeong et. al. Nanostructured carbon cloth electrode for desalination from aqueous solutionJ. Materials Science and Engineering, 2007,21: 841-845.7Haibo Li, YangGao, Likun Pan. Electro-sorptive desalination by carbon nanotubes and nanobers electrodes and ion-exchange membranesJ. Journal of Membrane Science, 2008, 42: 4923-4928. 8Byeong-Hee Park, Jae-Hwan Choi. Improvement in the capacitance of a carbon electrode prepared using water-soluble polymer binder for a capacitive deionization applicationJ. Electrochimica Acta, 55 (2010): 28882893.9張登松, 施利毅, 方建慧, 等. 液流式電容型脫鹽器納米碳管電極的研究J. 功能材料與器件學(xué)報(bào), 2005, 11(3): 287-294.10趙雪娜, 倪文,韓劍宏等. 電吸附技術(shù)在含鹽水除鹽的應(yīng)用于研究進(jìn)展J. 工業(yè)水處理, 2008, 28(3): 5-8.11Yoram Oren. Capacitive deionization(CDI) for desalination and water treatment-past, present and future(a review)J. Desalination, 2008, 228: 10-29.12Zhang Lili, Zhao X. Carbon-based materials as supercapacitor electrodesJ. Chemical Society Reviews, 2009, 38(6): 2520 -2531.13Ji-Young Choi, Jae-Hwan Choi. A carbon electrode fabricated using a poly(vinylidene fluoride) binder controlled the Faradaic reaction of carbon powderJ. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2010, 16: 401-405.14張春山, 邵曼君. 活性炭材料改性及其在環(huán)境治理中的應(yīng)用J. 過程工程學(xué)報(bào), 2005, 5(2): 223-227.15Chen R，Hu X. Electrosorption of thiocyanate anions on active carbon felt electrode in dilute solution J. Journal of Colloid and Interface Science, 2005, 290(1): 190-195.16肖樹彬，徐克，琓國嶺.活性炭負(fù)載量對電極電容去離子性能的影響J，工業(yè)水處理,2012,11(3): 287-294.,17郗麗娟，李婷，郭佳，張瑛潔.納米ZnO 改性活性炭電極電吸附除鹽性能的研究J,2013,(06):1001-1625.18Lu H J, Lee J H, Jeong Y, et al. Nanostructured carbon cloth electrode for desalination from aqueous solutionsJ. Materials Science and Engineering A, 2007, 449(2): 841-845.19Patil-Sook Kim, Jae-Hwan Choi. Fabrication and characterization of a carbon electrode coated with cation-exchange polymer for the membrane capacitive deionization ap