摘要
淡水资源匮乏是制约人类社会可持续发展和进步的主要问题之一，而从富集的海水中提取淡水是解决这一问题的重要方法。目前在工业中被广泛应用的海水淡化技术主要有多级闪蒸、反渗透法以及电渗析法等，然而这些技术存在能耗高和二次污染等问题。电容去离子技术(Capacitive deionization，CDI)具有绿色、高效以及能量利用率高等特点，是近些年倍受关注的新型海水淡化技术。CDI电极特性对整体脱盐性能具有决定性影响，法拉第电极材料因其可以利用体相晶格脱嵌离子而具有优异的脱盐性能。本论文通过过渡金属氧化物(Transition Metal Oxides，TMO)法拉第电极的设计、合成和结构改性调控其CDI脱盐性能并研究了相关脱盐机制。主要内容如下: 1、通过改进溶剂热反应和后续600℃Ar还原合成了还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，rGO)包覆的MnO(MnO@rGO)复合电极。研究表明，rGO有利于稳定Mn2+与Mn0转化过程中MnO的结构变化，减少Mn的脱出，有效提高了MnO的电化学稳定性，同时也降低了电极电荷转移阻，从而减少能量损失。电化学测试结果表明，MnO@rGO在1mV s-1的扫描速率时的比电容为244.22Fg-1，较MnO提高了75.09％。CDI测试结果显示，MnO@rGO在1.2V工作电压下的脱盐量为45.26mg g-1而MnO为40.52mg g-1。经过10次循环测试后，MnO的脱盐容量保持率仅为74.4％，而MnO@rGO的容量保持率为98.32％，显示出增强的吸脱附循环稳定性。 2、通过调控溶剂热反应后不同的退火温度(500℃、600℃、700℃)，合成了系列纳米花状MnCo2O4(MCO)并研究其脱盐特性。电化学测试结果表明500℃下制备的样品(MCO-500)具有最低的内阻，最快的离子扩散速率和最高的比电容量。CDI结果表明，MCO-500IAC系统在1.2V的电压下，初始电导率为1000μS cm-1的NaCl溶液中具有88.66mg g-1的电吸附脱盐容量。采用X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)对初始、吸附及脱附状态的MCO-500电极进行分析。结果表明，MCO-500的(111)和(311)晶面对Na+的脱嵌起主导作用。吸附脱盐过程中，Mn3+和Co3+存在向Mn2+和Co2+转化的还原反应，而脱附解吸过程中，Mn2+和Co2+完成了向Mn3+和Co3+的转化，表明其对于Na+的脱嵌具有积极作用。 3、运用简单的水热反应并结合热处理合成了具有阶梯状多孔结构的NiCo4MnO8.5(Ni-Co-Mn-O)。XRD结果显示Ni-Co-Mn-O由NiCo2O4和MnCo2O4.5组成。电化学测试结果显示，Ni-Co-Mn-O在1mV s-1的扫描速率下具有171.30F g-1的比电容，6.09Ω的内阻以及4.65Ω的扩散阻抗。采用对称式CDI体系进行批处理模式脱盐测试。CDI结果显示，在1.4V的工作电压下，500ppm的NaCl溶液中，Ni-Co-Mn-O的脱盐容量可以达到65.61mg g-1。在1.2V工作电压下，经过20次循环后，脱盐容量保持率为64.27％。脱盐机制研究表明，Na+的嵌入发生在(510)和(440)晶面。进一步地，在吸附过程中Co3+完成了向Co2+的转化，Mn3+也被还原成Mn2+，使Na+的嵌入更容易发生。此外，溶液的离子种类和浓度测试结果显示，充放电过程中Ni、Co和Mn离子发生了不可逆的脱出，这可能是Ni-Co-Mn-O电极脱盐容量衰减的主要原因。
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