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氮磷共摻雜碳材料與磷化鐵集成電極材料問世
作者：王敏，施培松   來源：中國科學(xué)報(bào)  
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安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授黃新華在電容去離子研究領(lǐng)域取得新進(jìn)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(xué)工程雜志》上。
“雜原子摻雜被認(rèn)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(huì)收到空間位阻的抑制。如果氮摻雜的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入磷元素，可通過氮和磷的協(xié)同共摻雜強(qiáng)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�！秉S新華向《中國科學(xué)報(bào)》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(yàn)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(xué)過程中因其緩慢的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，阻礙了倍率性能，導(dǎo)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(kuò)散系數(shù)和縮短電荷的擴(kuò)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(shí)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(dǎo)電性，還為吸附提供了更多的活性位點(diǎn)，縮短了銅離子離子的擴(kuò)散路徑，減輕了運(yùn)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(gè)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(jìn)一步地，黃新華通過密度泛函理論計(jì)算闡明了吸附選擇性，并對銅離子的吸附-脫附機(jī)理進(jìn)行了深入研究。其中，銅離子與電極相互作用時(shí)表現(xiàn)出最高的吸附能。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了該電極對銅離子具有最顯著的親和力。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.117062
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149666
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