Композитные графен-содержащие пористые материалы для электросорбции и емкостной деионизации воды

Бахия Тамуна; Руслан Хажсетович  Хамизов; Заур Рамазанович  Бавижев

doi:10.17308/sorpchrom.2020.20/2869

Бахия Тамуна Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва
Руслан Хажсетович Хамизов Институт геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН), Москва
Заур Рамазанович Бавижев Научно-исследовательский центр акционерного общества «Радий», Москва

DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2020.20/2869

Ключевые слова: графен, аэрогель, мезопористый углерод, композит, емкостная деионизация.

Аннотация

Высокопористые аэрогели на основе углеродных наноматериалов – перспективные материалы для новых электрохимических технологий. Емкостная деионизация воды – удаление ионов из водного раствора путем приложения малых значений внешнего напряжения к электродам с большой удельной поверхностью. Данный метод является на сегодняшний день одним из наиболее перспективных для опреснения растворов с низкой минерализацией. Основная проблема для емкостной деионизации заключается в получении доступных электродных материалов с высокой пористостью, электропроводностью, гидрофильностью и хорошими механическими свойствами для использования в течение большого количества циклов адсорбциидесорбции. Для этих целей углеродные аэрогели являются одними из наиболее перспективных материалов. Статья посвящена синтезу новых материалов – высокопористых монолитных композитных аэрогелей с пространственной трехмерной структурой, образованной восстановленным оксидом графена и нанотрубками; исследованию их электросорбционных свойств в экспериментах с использованием указанных монолитов в качестве электродов для емкостной мембранной деионизации воды. Предложены новые методы синтеза углеродных высокопористых композитных аэрогелей, где каркас представлен восстановленным оксидом графена и углеродными нанотрубками. Разработаны простые методики по гидрофилизации синтезированных образцов. Изготовлены новые электродные материалы для электросорбции, исследованы и испытаны в электрохимических ячейках для мембранной емкостной деионизации. Сверхпористые (более 99%) углеродные композитные аэрогели с плотностью не более 0.02 г/см³, имеющие жесткую структуру и характеризующиеся хрупкостью образующихся монолитов, не эффективны в процессах емкостной мембранной деионизации. Эластичные аэрогели с более плотной структурой, пористостью до 95% и плотностью не менее 0.12 г/см³, синтезированные в присутствии поливинилового спирта, имеют относительно высокую электросорбционную емкость по отношению к хлориду натрия. К примеру, если концентрация раствора 1 г/дм3, то емкость материала достигает 25 мг/г (3 мг/см³). Данные аэрогели также демонстрируют хорошую стабильность, что делает их очень перспективными для использования в технологиях емкостной деионизации.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Бахия Тамуна, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва

аспирантка химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва

Руслан Хажсетович Хамизов , Институт геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН), Москва

заведующий лабораторией ГЕОХИ РАН, д.х.н., Москва

Заур Рамазанович Бавижев , Научно-исследовательский центр акционерного общества «Радий», Москва

cтарший научный сотрудник НИЦ АО «НПП «Радий», Москва

Литература

Oren Y., Desalination, 2008, Vol. 228, pp. 10-29, DOI: 10.1016/j.desal.2007.08. 005, available at: https://doi.org/10.1016/ j.desal.2007.08.005 (accessed 15.08.2008). 2. Porada S., Zhao R., Van der Wal A., Presser V. et al., Progress in Material Science, 2013, Vol. 58, pp. 1388-1422, DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.03.005, available at: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.03.00 5 (accessed 10.2013).

Andelman M.D., Walker G.S. Charge barrier flow-through capacitor. Patent US, No 6709560B2, 2004. 4. Suss M.E., Porada S., Sun X., Biesheuvel P.M., et al., Energy & Environmental Science, 2015, Vol. 8, pp. 2296-2319, DOI: 10.1039/C5EE00519A, available at: https://doi.org/10.1039/C5EE00519A (accessed 05.05.2015). 5. Wenchao W., Ruiyang Z., Wei Li, Hao L. et al., Environmental Science: Nano, 2016, Vol. 3, pp. 107-113, DOI: 10.1039/C5EN00125K, available at: https://doi.org/10.1039/C5EN00125K (accessed 2016). 6. Bakhia T., Khamizov R.Kh., Konov M.A., Bavizhev M.D. Patent RF, no. 2 662 484, 2018. 7. Akhavan O., Ghaderi E., Aghayee S., Fereydooni Y. et al., J. Mater. Chem., 2012, Vol. 22, pp. 13773-13781, DOI: 10.1039/C2JM31396K, available at: https://doi.org/10.1039/C2JM31396K (accessed 20.07.2012). 8. Huang J., Li Zh., Wu X., Wang J., Yang Sh., J. Phys. Chem. C, 2019, Vol. 123, pp. 3781-3789. 9. Haiyan S., Zhen X., Chao G., Advanced materials, 2013, Vol. 25, pp. 2554-2560, DOI: 10.1002/adma.201204576, available at: https://doi.org/10.1002 /adma.201204576 (accessed 2013). 10. Tokmachev M.G., Tikhonov N.A., J. of Mathematical Chemistry, 2019, Vol. 57, No.

, pp. 2169-2181, DOI: 10.1007/s10910-01901064-7, available at: https://doi.org/10.1007/s10910-019-01064-7 (accessed 12.09.2019). 11. Marmanis D., Christoforidis A., Ouzounis K., Dermentzis K., Global NEST Journal, 2014, Vol. 16, No4, pp. 609-615, DOI: 10.30955/gnj.001253, available at: https://doi.org/10.30955/gnj.001253 (accessed 23.05.2014). 12. Zhuyin S., Qinghan M., Xuetong Z., Rui M. et al., J. of Mater. Chem., 2012, Vol. 22, pp. 8767-8771, DOI: 10.1039/C2JM00055E available at: https://doi.org/10.1039/C2JM00055E (accessed 15.03.2012). 13. Zhu G., Wang W.Q., Li X., Zhu J. et al., RSC Advances, 2016, Vol. 6, pp. 5817-5823. 14. Fan W., Zhang L., Liu T., Graphenecarbon nanotube hybrids for energy and environmental applications Springer, 2017, pp. 1104. available at:https://doi.org/10.1007/978981-10-2803-8(accessed 2017).