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河海大学青年教师在苦咸水资源利用技术方面再次取得重要科研成果

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  近日,河海大学水文水资源学院青年教师徐兴涛博士指导本科生团队再次在金属有机框架材料的苦咸水利用技术研究方面取得重要突破,该成果以姊妹篇形式再次发表于《Materials Horizons》上。《Materials Horizons》为Royal Society of Chemistry出版社材料科学旗舰期刊,2019年影响因子为14.356。

  非常规水资源利用,特别是苦咸水淡化利用,对缓解全世界水资源危机具有重要意义。发展基于新材料的苦咸水利用新技术是当前水资源利用技术利用的前沿研究课题。去年,水文院徐兴涛博士指导本科生团队在金属有机框架材料的苦咸水利用技术研究方面取得重要突破,相关研究成果以封底文章的形式发表于Royal Society of Chemistry出版社材料科学旗舰期刊《Materials Horizons》,在非常规水资源利用人才培养与科学研究方面,迈出重要步伐。今年,该团队又首次提出利用金属有机框架衍生铁氮共掺杂纳米碳管结构作为电极材料,在实际含氧水环境下大幅提升苦咸水利用效率的同时实现了电极运行寿命的大幅延长。

  电容去离子(CDI)是一种基于多孔材料电化学双电层吸附原理发展而来的新型苦咸水淡化技术,具有节能高效、绿色环保等优点,但受实际水环境中溶解氧的影响,长期运行下碳电极会受到严重腐蚀,造成电极运行寿命下降。目前研究证实,在电容去离子过程中,水中溶解氧会在碳电极表面还原生成过氧化氢,造成碳电极腐蚀与运行寿命下降。因此,如何抑制运行过程中过氧化氢的生成,对电容去离子技术的推广应用意义重大。

  

  图1

  (a-c)铁氮共掺杂纳米碳管的微观结构表征;交联金属-有机框架纳米管、铁氮共掺杂纳米碳管以及铁箔的(d)近边x射线吸收精细结构,(e)傅里叶变换扩展x射线吸收精细结构以及(f-h)小波变换扩展x射线吸收精细结构。

  针对上述问题,团队提出碳电极氧还原活性增强策略,通过在聚合物纤维层层沉积双金属-有机框架结构,构筑了交联贯穿的金属-有机框架纳米管;以此作为前驱体,通过惰性七气氛热解策略,实现了铁氮共掺杂纳米碳管的合成。相关实验表征证实,通过在合成过程中对金属-有机框架材料进行铁元素掺杂,团队成功实现碳纳米管微观界面下铁氮掺杂活性位点的可控生成。进一步的电容去离子实验结果显示,在含氧水环境下所合成铁氮共掺杂纳米碳管表现出了极其优越的脱盐性能以及良好的循环稳定性,表明其具有良好的应用价值。此外,该工作也为高效稳定电容去离子碳电极的设计提供了一种新的思路。

  

  图2

  含氧水环境下,铁氮共掺杂纳米碳管的电容去离子测试:(a)脱盐过程铁氮共掺杂纳米碳管工作示意图;(b)脱盐性能对比图;(c)对应的脱盐容量-脱盐速率拉贡图;(d)循环稳定性测试。

  (来源:河海大学 文/图 水文院)

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