新疆大學王魯香研究員、賈殿贈教授,JMCA,納米炭纖維@ZIF-8衍生納米炭片複合材料增强電容去離子效能

多孔炭資料因其孔結構發達、比表面積大和穩定性好等優點而成為極具應用前景的CDI電極資料。在諸多炭資料中,納米炭纖維然因其獨特的形貌和優异的導電性而受到了廣泛關注。囙此,針對納米炭纖維和二維ZIF-8面臨的問題,將具有較大有效比表面積的二維ZIF-8衍生炭與具有高電導率的納米炭纖維相結合,對提高複合炭資料的CDI效能具有重要意義。

文章資訊

具有核-殼結構的納米炭纖維@ZIF-8衍生納米炭片複合材料增强電容去離子效能

通訊作者:王魯香*,賈殿贈*

組織:新疆大學

研究背景

電容去離子(CDI)科技作為一種新型的脫鹽科技,具有低能耗、低成本和環境友好等優點。電極資料作為CDI科技的核心部件,其效能對於提高CDI系統的脫鹽能力起到至關重要的作用。多孔炭資料因其孔結構發達、比表面積大和穩定性好等優點而成為極具應用前景的CDI電極資料。

在諸多炭資料中,納米炭纖維然因其獨特的形貌和優异的導電性而受到了廣泛關注。然而,納米炭纖維存在孔徑分佈窄、比表面積低和親水性差等缺點,這嚴重阻礙了鹽離子在炭纖維中的快速傳輸和吸附。囙此,開發具有孔隙結構發達、有效比表面積大和親水性好的納米炭纖維,有助於提高其CDI效能。

近年來,金屬有機骨架(MOFs)衍生的多孔炭資料,尤其是沸石咪唑骨架資料(ZIF-8),常被作為CDI電極資料。然而,大多數ZIF-8衍生炭資料在炭化時易團聚,且孔結構主要以微孔為主,導致其吸附位點少,傳質動力學緩慢。與傳統的立方方鈉石結構的ZIF-8相比,二維ZIF-8獨特的多孔結構不僅賦予其較大的有效比表面積和豐富的活性位點,同時也大大縮短了離子在資料中的擴散路徑。然而,通過ZIF-8製備二維多孔炭資料仍然面臨著巨大的挑戰。

囙此,針對納米炭纖維和二維ZIF-8面臨的問題,將具有較大有效比表面積的二維ZIF-8衍生炭與具有高電導率的納米炭纖維相結合,對提高複合炭資料的CDI效能具有重要意義。

文章簡介

基於此,新疆大學王魯香研究員、賈殿贈教授,在國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發表題為“Carbon Nanofiber @ ZIF-8 Derived Carbon Nanosheets Composites with Core-shell Structure Boosting Capacitive Deionization Performance”的研究論文。

該文通過在電紡納米纖維上原位生長ZIF-8納米片,構建了具有核-殼結構的納米炭纖維@氮摻雜多孔納米炭片(CNFZIF)複合材料(圖1)。得益於CNFZIF高氮含量、良好的親水性、較大的有效比表面積和獨特的分級多孔結構的協同作用,CNFZIF資料顯示出優异的CDI效能。

圖1 CNFZIF的製備及脫鹽過程示意圖。

本文要點

要點一:原位生長法構築核-殼結構納米炭纖維@多孔納米炭片(CNFZIF)複合材料

通過在含有石墨烯量子點的電紡納米纖維上原位生長ZIF-8納米片構建了具有核-殼結構的納米炭纖維@多孔納米炭片(CNFZIF)複合材料。由圖2的SEM和TEM照片可以看出,CNFZIF表面被多孔的二維納米片均勻包覆。

在電紡纖維中引入具有豐富含氧官能團的石墨烯量子點,不僅為ZIF-8納米片在纖維上的均勻生長提供錨點,並且能够有效避免ZIF-8納米片在纖維表面的堆疊團聚。ZIF-8衍生納米炭片大量的微、介孔和豐富的缺陷,有利於鹽離子的吸附。

此外,高的氮含量能够改善資料的親水性,從而有利於CNFZIF脫鹽效能的提高。

圖2 CNFZIF資料的SEM,TEM,STEM,mapping圖。

要點二:獨特核-殼結構提升炭-炭複合材料的電化學效能

電化學測試表明(圖3),在1 M NaCl溶液中,CNFZIF具有優异的雙電層電容特性,在掃描速度為1mV s-1時具有190 F g-1的比電容,並且隨著掃速的新增仍能保持較高的比電容。同時,CNFZIF的電荷轉移電阻僅為0.11Ω,表明其具有良好的電化學動力學效能。

圖3 CNFZIF電極的電化學效能研究。

要點三:優异的電容去離子效能

在不同濃度的NaCl溶液中和不同種類的鹽溶液中,對CNFZIF電極的CDI效能進行了測試(圖4)。在NaCl溶液中其最大吸附容量高達50.88 mg g-1,並且在30次吸/脫附迴圈後其脫鹽容量保持率仍高達97%。

同時,CNFZIF在CaCl2、MgCl2和KCl溶液中的脫鹽容量分別達到了27.19 mg g-1、25.35 mg g-1和20.46 mg g-1。

CNFZIF出色的脫鹽效能可歸因於其獨特的組成和結構。首先,具有較大比表面積和豐富缺陷的ZIF-8衍生納米炭片提供了更多的吸附位點。其次,分級多孔結構有利於鹽離子的吸附和傳輸。此外,較高的N含量不僅有效提高了資料表面潤濕性,而且提供了部分贗電容。

圖4 CNFZIF電極的脫鹽效能和吸/脫附迴圈穩定性研究。

文章連結

“Carbon Nanofiber @ ZIF-8 Derived Carbon Nanosheets Composites with Core-shell Structure Boosting Capacitive Deionization Performance”

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta03804d

原文刊載於【科學資料站】公眾號

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本文標題: 新疆大學王魯香研究員、賈殿贈教授,JMCA,納米炭纖維@ZIF-8衍生納米炭片複合材料增强電容去離子效能
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656048929074542
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