电荷分离构建内电场增强二氧化锰动力学及其电容去离子性能
近年来，水资源污染问题及其伴生的水短缺现象逐渐引起人们的重视，日益成为各国加速解决的问题。海水淡化成为一种新的产水思路。电容去离子（Capacitive Deionization,CDI）技术成为一种以环境友好、能耗低为优势而诞生的新兴技术。但是传统CDI技术因碳材料共离子效应导致去离子性能较差。二氧化锰作为一种赝电容材料，具有较高的理论比电容值，可以作为一种混合电容去离子（Hybrid Capacitive Deionization,HCDI）材料。然而，由于二氧化锰的半导体属性，本身具有较低的离子电导率和电子电导率，使其难以到达理论值。因此，对二氧化锰材料改性，增强其动力学特性，改善其离子、电子的电导率是将其应用在HCDI技术上的关键。本论文通过超交换作用以及异质结构建等方式，调控局部的电子结构，诱导产生内电场，增强二氧化锰动力学,进而改善其HCDI性能。具体工作如下: （1）通过水热法成功制备了具有镍掺杂的MnO2（Ni-MnO2）,形成了一种Mn4+-O2--Ni2+配位结构单元。通过超交换相互作用诱导了其电荷分布的不均匀，进而形成了密集的内电场（IEF）,并显著增强了 HCDI过程中的电荷转移过程。软X射线吸收光谱（sXAS）和密度泛函理论（DFT）结果表明，在Ni-MnO2中Mn4+-O2--Ni2+的基本配位结构单元内,电子通过超交换相互作用从O2-的2p轨道转移到TM位（Ni2+和Mn4+）的eg轨道。由此产生的电荷分离诱导Ni-MnO2形成IEF,促进了 HCDI过程中的电子和离子转移过程。结果表明，Ni-MnO2在500 mg L-1 NaCl水溶液中表现出优异的HCDI性能，在1.2 V电压下，其SRC为72.9 mg g-1,SRR 为 3.79 mg g-1 min-1。 （2）通过水热法成功制备材料，构成了异质结MoS2@MnO2。通过界面处S-O键的形成，并基于MoS2和MnO2的功函数的差异促进了电荷从MoS2转移至MnO2，产生了电荷分布的不均匀。这一不均匀的电荷分布诱导形成界面处的内电场，进而加强了 MoS2@MnO2在HCDI过程电荷转移过程。理论和实践均表明，电子从MoS2转向MnO2。结果表明，MoS2@MnO2在500mgL-1NaCl水溶液中表现出更优异的HCDI性能。 总之，本论文基于电荷分离的原则，分别通过超交换和异质结的构建诱导形成内电场的方式合成了用于HCDI的高性能Ni-MnO2以及MoS2@MnO2电极材料。实验和理论结果证明，形成的内电场改善了MnO2的电子构型，提高二氧化锰在HCDI应用中对Na+离子吸附的动力学。本论文通过坚实的数据，为改性的二氧化锰推广到催化、储能等领域提供了强有力的支撑。
海水淡化;电容去离子技术;二氧化锰;超交换作用;异质结;内电场;动力学
北京化工大学
硕士
材料与化工
杨志宇;戴明
2023
中文
P747
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）