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独辟蹊径!研究人员用锂硫电池的电极打造价廉物美的重金属离子水体净化材料

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2021-09-18

点击:4983

在锂硫电池领域,有一种“神奇”的方法,能将不导电的聚丙烯腈(PAN)高分子材料变得导电,并将之作为电池的正极材料使用。


这种方法是硫化(vulcanization)。通过将PAN与硫粉研磨混合,在氩气气氛中300 °C加热。该过程中PAN发生环化,导电率增大。同时在碳链上形成二硫键,产生活性位点。


李巨教授、朱美芳院士、徐桂银研究员等近日独辟蹊径,将来自锂硫电池的硫化PAN电极应用于水体净化,滤除水中Hg2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+四种重金属离子。相关成果已发表在Advanced Functional Materials上,第一作者为麻省理工学院访问教授李鹏。




文章要点


1、合成方法:利用便捷的涂布法(dip-coating),将硫化PAN颗粒整合至三聚氰胺海绵中。电镜图片显示,硫化PAN颗粒填充在三聚氰胺网格的孔隙中(图1)。



图1. 重金属滤材的制备。活性材料是硫化PAN(PAN-S)。图源:Adv. Funct. Mater.


2. 过滤原理:硫化PAN的C—N,C=N,C—S—S—C基团表现出软碱性质。据软硬酸规则(HSAB),这些软碱基团与Hg2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+软酸离子作用力强,能通过静电吸引束缚重金属离子,完成水体净化(图2a、2b)。


3. 过滤效果:三次循环吸附后,废水中的Hg2+和Pb2+仍可完全移除,Cu2+和Cd2+的移除率近100%。


图2. (a)硫化PAN滤材净水过程示意图;(b)硫化PAN的分子结构示意图。链上的硫键、N位点是吸引重金属离子的活性位;(c)四种重金属离子的移除效率。Hg2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+初始浓度分别为5.0、3.0、60.0和3.0 mg/L,溶液体积300 mL。图源:Adv. Funct. Mater.


4. 可回收性:吸附上重金属离子的硫化PAN滤材可通过施加正电压将吸附的金属离子脱离滤材表面(图3a)。在电场驱动下,这些金属离子朝对电极迁移,并在对电极上以单质形式沉积下来(图3d)。该过程同时完成滤材净化与重金属回收,一举两得。


再生六次的电极每次对Hg2+的吸附效果未表现出明显降低(图3b)。虽然溶液中检测到些许从硫化PAN滤材上溶出的SO32-与SO42-(图3c),但水体中的硫含量仍在安全浓度范围内。



图3. 硫化PAN滤材的“重生”。通过施加正电压使吸附的重金属离子从滤材表面脱附。脱离的重金属离子在对电极上沉积为金属单质。图源:Adv. Funct. Mater.


5. 经济与环保效应:如下图所示,本工作报道的滤材可以通过太阳能等清洁能源转换而来的电能完成回收利用,不断为居民区提供重金属含量极低的安全饮用水。


整个装置的造价与电能成本总计仅30.75美元。Hg2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+处理成本分别为0.17、0.47、0.94、0.94美元/吨。处理成本与现行技术相当甚至更低,并且整个过程更为环保。



图4. 该滤膜材料地表重金属废水净化与滤材再生循环预期模式示意图。滤材吸附重金属离子后通过清洁能源转换的电能脱附离子再生,所处理的水达到饮用水标准,还能回收重金属。整个过程清洁环保。图源:Adv. Funct. Mater.


更多信息请移步原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202105845


封面图源自于图虫创意

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