CN105645523A - 一种制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，包括复合材料的制备、研磨与装料和热压成型三个步骤；本发明将具有良好导电性能的吡咯和具有良好吸附性能的壳聚糖复合在一起，使得复合电极具有良好的电极活性；本发明添加活性炭为导电剂，使复合电极的机械性能和电化学性能显著提高；电极制备过程中不添加黏结剂，通过控制热压成型的温度、压力和时间等条件，获得性能优良的聚合物复合电极；本发明制备的复合电极电化学性能优良、成本低廉、环境友好、循环性能好，可用于重金属废水的电容法去离子技术(CDI)处理。

Description

一种制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法
技术领域
本发明属于新型电极制备技术领域，特别涉及一种制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法。
背景技术
重金属废水的有效处理方法之一是电容法去离子技术(CDI)。而CDI技术去除重金属离子的关键是具有性能优良的电极材料。因此，人们期望电极材料具有高比电容、高吸附量、高稳定性及机械性能良好的性质。聚吡咯属于导电聚合物，在充/放电过程中能发生氧化/还原反应，即掺杂/脱掺杂过程，由此产生的法拉第拟电容使电极材料具有高比电容。聚吡咯还具有导电率高、空气中稳定和易于制备等优点，成为近年来最受关注的材料之一。壳聚糖具有良好的成膜性，在电极成型过程中具有黏结剂的作用。此外，壳聚糖及其衍生物对重金属离子还具有良好的吸附性，可用于吸附性电极材料的制备。
目前，电极的制备方法之一是压片法，就是将活性电极材料、黏结剂及导电剂的混合物在一定压力下压制成型。黏结剂的种类及含量对电极的电化学特性及表面结构有显著影响，因此，人们对电极制备工艺的研究主要集中在黏结剂的选择方面。电极成型过程中添加黏结剂，主要目的是提高电极的机械强度，但是黏结剂的添加也使复合电极的电阻增大、电导率降低、电极成分变复杂，从而不利于电极性能的发挥。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，以聚吡咯和壳聚糖制备的复合材料为活性基体，在不添加黏结剂的条件下，采用热压成型法制备复合电极。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，包括如下步骤：
(1)称取一定量的壳聚糖均匀分散到乙酸溶液中，搅拌，加入掺杂剂，反应一定时间后，将溶液pH调至4；
(2)向步骤(1)所得溶液中逐滴加入FeCl3溶液，反应一定时间后，缓慢加入吡咯，之后将混合溶液定容、搅拌、静置；
(3)将步骤(2)所得溶液调至中性，搅拌、真空抽滤、水洗滤饼，并置于真空干燥箱中干燥至膏状，得到复合材料，收集备用；
(4)称取一定量步骤(3)所得的复合材料于研钵中研磨，加入少量活性炭继续研磨至物料混合均匀；
(5)将步骤(4)中所得的混合材料填装到恒温模具中，将模具置于台式粉末压样机上，热压成型，冷却、脱模；
(6)将热压成型的复合材料在常温下干燥、恒重、打磨，获得聚吡咯/壳聚糖复合电极。
所述步骤(1)中壳聚糖的质量为1.6g，乙酸溶液的体积为100mL、质量浓度为2％，掺杂剂为十二烷基苯磺酸钠，其浓度为0.1mol·L-1、体积为60mL。
所述步骤(1)中调节pH所用试剂为HCl溶液，其浓度为1mol·L-1。
所述步骤(1)中搅拌方式为采用磁力搅拌器搅拌，反应时间为20min。
所述步骤(2)中FeCl3溶液的浓度为0.5mol·L-1、体积为24mL，吡咯的体积为900μL，定容体积为250mL。
所述步骤(2)中反应时间为30min，磁力搅拌的时间为2h，静置的时间为22h。
所述步骤(3)中调节pH所用试剂为NaOH溶液，其浓度为1mol·L-1，搅拌时间为30min。
所述步骤(4)中复合材料的质量为3g，活性炭的质量为0.15g。
所述步骤(5)中模具温度为150℃，加入填料后为保持温度恒定，继续恒温5min，热压压力为10MPa，热压温度为150℃，热压时间为20min。
本发明提供的聚吡咯/壳聚糖复合电极材料的制备方法，与其他电极材料制备方法相比，具有如下优点：
(1)复合电极制作过程中不添加黏结剂，避免了因添加黏结剂而带来的电阻增大，电导率降低，电极成分变复杂的问题；
(2)复合电极中所含的壳聚糖具有一定的溶胀性，有利于离子在电极内部的扩散；而聚吡咯没有溶胀性，使得复合材料电极具有良好的机械性能；
(3)复合电极采用热压成型，成型条件可控，形状尺寸可任意调节，成型工艺简单，易于制备；
(4)复合电极采用常规材料制作，具有取材方便，成本低廉，环境友好及循环性能好等优点。
附图说明
图1为本发明中聚吡咯/壳聚糖复合电极的制备流程图。
图2为本发明制备的聚吡咯/壳聚糖复合电极的电镜扫描(SEM)图像。(放大5000倍)
图3为本发明制备的聚吡咯/壳聚糖复合电极的接触角测试图像。
图4为本发明制备的聚吡咯/壳聚糖复合电极的循环伏安(CV)曲线。
图5为本发明制备的聚吡咯/壳聚糖复合电极的电化学阻抗(EIS)曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的电极制备流程如附图1所示，主要包括：
(1)复合材料制备：取100ml、2％乙酸溶液于500mL的烧杯中，将1.6g壳聚糖均匀分散到溶液中，用磁力搅拌器搅拌，控制搅拌速率，至壳聚糖完全溶解。缓慢加入掺杂剂0.1mol·L-1的十二烷基苯磺酸钠60mL，反应20min后，用1mol·L-1的HCl调节溶液pH值为4。逐滴加入0.5mol·L-1的FeCl3溶液24mL，反应30min后缓慢滴加吡咯900μL，将溶液定容到250mL，磁力搅拌反应2h，并静置22h。向溶液中加入1mol·L-1的NaOH溶液调节pH值为7，搅拌30min。将反应完的聚吡咯/壳聚糖复合材料真空抽滤，水洗至中性，并将滤饼置于真空干燥箱中，待样品干燥至膏状，将样品收集用于制备电极。
(2)研磨与装料：取聚吡咯/壳聚糖复合材料3g于研钵中，研磨一段时间后，加入0.15g活性炭，继续研磨至物料混合均匀。将清洗干净的磨具置于150℃的真空干燥箱中，加热10min后，将混合均匀的复合材料装填在磨具中，继续加热5min。
(3)热压成型：将磨具置于台式粉末压样机上，加压至10MPa，并热压20min，待磨具冷却后，进行脱模操作。将热压成型得到的电极在常温下干燥至恒重，用砂纸将电极表面打磨光滑。
本发明制备的聚吡咯/壳聚糖复合电极的扫描电镜(SEM)图像、接触角测试图像、循环伏安(CV)曲线、电化学阻抗(EIS)曲线如附图2、图3、图4和图5所示。从图2可看到，聚吡咯/壳聚糖复合电极呈现出亚微米片状相互交叠结构。这种结构增大了电极材料与离子的接触面积，有利于电容法去离子过程(CDI)的进行。从图3可看到，以活性炭为导电剂的聚吡咯/壳聚糖复合电极的接触角为83.73°，说明该电极有较好的亲水性，表面易润湿，吸附溶液更容易扩散到电极的内部。从图4可看到，聚吡咯/壳聚糖复合电极的电极曲线斜率较大，说明该电极具有较好的充/放电速度；电极面积比电容值为0.25F·cm-2，说明活性炭使得电极材料内部形成了较好的空隙，有利于离子在电极内部的扩散。从图5可看到，EIS曲线由高频区的一段半圆弧和低频区的一条斜直线组成。高频区的圆弧直径较小，说明离子在溶液与电极界面间的扩散阻力较小，交流阻抗值较小；低频区的直线与横坐标轴之间的夹角接近45°，说明离子在电极材料中的扩散过程属于半无限扩散过程。
应用实例
本实施例采用制备的聚吡咯/壳聚糖复合电极为工作电极。首先，对复合电极进行还原处理，即将复合电极置于去离子水中，复合电极为正极，石墨为负极，极板间距为3cm，在室温下，设定还原电压为1.5V还原10min。然后，将还原后的电极用于重金属离子的吸附，即将电极置于100mL、50mg/L的CuCl2溶液中，复合电极为负极，石墨为正极，极板间距为3cm，在室温下，调节电压为1.5V，吸附1h后，测得电极吸附量为9.3mg·g-1，复合电极对CuCl2溶液的吸附率为55.5％。

Claims (9)

1.一种制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)称取一定量的壳聚糖均匀分散到乙酸溶液中，搅拌，加入掺杂剂，反应一定时间后，将溶液pH调至4；
(2)向步骤(1)所得溶液中逐滴加入FeCl3溶液，反应一定时间后，缓慢加入吡咯，之后将混合溶液定容、搅拌、静置；
(3)将步骤(2)所得溶液调至中性，搅拌、真空抽滤、水洗滤饼，并置于真空干燥箱中干燥至膏状，得到复合材料，收集备用；
(4)称取一定量步骤(3)所得的复合材料于研钵中研磨，加入少量活性炭继续研磨至物料混合均匀；
(5)将步骤(4)中所得的混合材料填装到恒温模具中，将模具置于台式粉末压样机上，热压成型，冷却、脱模；
(6)将热压成型的复合材料在常温下干燥、恒重、打磨，获得聚吡咯/壳聚糖复合电极。
2.根据权利要求1所述制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，其特征在于，所述步骤(1)中壳聚糖的质量为1.6g，乙酸溶液的体积为100mL、质量浓度为2％，掺杂剂为十二烷基苯磺酸钠，其浓度为0.1mol·L-1、体积为60mL。
3.根据权利要求1所述制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，其特征在于，所述步骤(1)中调节pH所用试剂为HCl溶液，其浓度为1mol·L-1。
4.根据权利要求1所述制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，其特征在于，所述步骤(1)中搅拌方式为采用磁力搅拌器搅拌，反应时间为20min。
5.根据权利要求1所述制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，其特征在于，所述步骤(2)中FeCl3溶液的浓度为0.5mol·L-1、体积为24mL，吡咯的体积为900μL，定容体积为250mL。
6.根据权利要求1所述制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，其特征在于，所述步骤(2)中反应时间为30min，磁力搅拌的时间为2h，静置的时间为22h。
7.根据权利要求1所述制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，其特征在于，所述步骤(3)中调节pH所用试剂为NaOH溶液，其浓度为1mol·L-1，搅拌时间为30min。
8.根据权利要求1所述制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，其特征在于，所述步骤(4)中复合材料的质量为3g，活性炭的质量为0.15g。
9.根据权利要求1所述制备聚吡咯/壳聚糖复合电极的方法，其特征在于，所述步骤(5)中模具温度为150℃，加入填料后为保持温度恒定，继续恒温5min，热压压力为10MPa，热压温度为150℃，热压时间为20min。
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