安徽理工大學材料科學與工程學院副教授黃新華在電容去離子研究領(lǐng)域取得新進展，制備出氮磷共摻雜碳基材料和磷化鐵分散氮、磷摻雜多孔碳電極材料，并將上述兩種材料用于高選擇性去除廢水中重金屬銅離子。相關(guān)研究成果相繼發(fā)表在《脫鹽》和《化學工程雜志》上。
“雜原子摻雜被認為是改善電極特性的有效方法。但目前，單氮摻雜的電極材料往往在使用中會收到空間位阻的抑制。如果氮摻雜的基礎(chǔ)上進一步引入磷元素，可通過氮和磷的協(xié)同共摻雜強化碳基質(zhì)中的固有缺陷，優(yōu)化電子分布，從而改善電容去離子性能。”黃新華向《中國科學報》介紹。
黃新華利用無毒的植酸作為磷源，在氮摻雜的基礎(chǔ)上，通過原位熱解法制備了氮、磷摻雜碳材料用于吸附重金屬銅離子，并在連續(xù)的吸附-脫附循環(huán)測試中考驗其穩(wěn)定性能。
磷化鐵因其高理論容量和環(huán)境友好的性質(zhì)脫穎而出，成為一種有潛力的電極材料。
然而，在純磷化鐵材料的電化學過程中因其緩慢的擴散動力學，阻礙了倍率性能，導致在循環(huán)過程中容量顯著下降。研究人員可通過主要涉及提高擴散系數(shù)和縮短電荷的擴散路徑解決這些限制。
黃新華利用氮和磷摻雜的聚合物吸附硝酸鐵作為前驅(qū)物，通過熱解過程實現(xiàn)了磷化鐵納米顆粒在碳基框架中的原位生成，制備了電極材料。
“研究表明，通過磷空位的引入不僅增加了材料的導電性，還為吸附提供了更多的活性位點，縮短了銅離子離子的擴散路徑，減輕了運行中的體積變化，大大提高了去離子效率和選擇性。相較于單氮摻雜碳材料，電吸附性能提高了120倍，在18個連續(xù)的吸附-脫附循環(huán)后，銅離子去除率保持在102%左右?！秉S新華說。
進一步地，黃新華通過密度泛函理論計算闡明了吸附選擇性，并對銅離子的吸附-脫附機理進行了深入研究。其中，銅離子與電極相互作用時表現(xiàn)出最高的吸附能。這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了該電極對銅離子具有最顯著的親和力。
