层状硫代锡酸盐的结构调控及其性能研究

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硫代锡酸盐是优良的离子交换材料,其元素组成和晶体结构影响其性能,探索结构调控硫代锡酸盐的方法,分析其结构特征并进行应用探索,这对材料的开发与应用具有重要的意义。本研究通过溶剂热法合成了三种硫代锡酸盐(HKTS-1、HKTS-2和HKTS-3),探索了H元素结构调控硫代锡酸盐的元素组成和晶体结构。通过一系列的实验和表征手段分析了HKTS及其吸附材料的元素组成和结构特点,证实了H元素的引入成功调控了HKTS的晶体结构,主要包括:HKTS为多层形貌结构,尺寸达到10μm;H元素引入后,硫代锡酸盐中的S和K元素的含量增加,其中HKTS-3的S和K元素含量分别是39.7%和15%;HKTS的晶体结构具有双S原子特征;HKTS由[Sn S6]八面体组成基本骨架,H和K原子作为平衡电荷;随着HKTS的晶体结构中H元素含量的增加,K元素的含量先增加后减小,晶面间距、晶体体积减小;HKTS的离子交换过程符合拓扑交换机制。开展了吸附动力学、平衡吸附容量、离子交换剂重复利用性、离子交换剂投加量和Na+离子干扰等实验,分析了HKTS的吸附性能及其对Cs+离子的选择性。结果表明,HKTS在5 min内达到吸附平衡,其中HKTS-3的Cs+离子吸附率达到了97.7%,Sr2+离子吸附率达到了98.4%;HKTS吸附Cs+离子的过程符合Langmuir等温吸附模型,其中Langmuir饱和容量最高372 mg·g-1;吸附性能随着HKTS投加量的增加而增强;Na+离子对HKTS的Cs+离子选择性无明显影响;HKTS-3具有较高的Cs+离子选择性,Cs+离子分配系数最高达到了100681 m·g-1,无干扰离子存在下的Cs+离子选择性系数达到了108,1.3 g·L-1投加量下具有最大的选择性系数,达到了161。HKTS-3具有高效选择性吸附Cs+离子的能力、环境友好、低成本和易于合成等特点,有望应用于核废料处理。结构调控HKTS不仅能提高其吸附性能,同时HKTS的结构特性使其具有广泛的应用,如液体剥离和储能。HKTS-2在离子交换后通过超声处理获得了超大表面积的单层和几层材料,其横向尺寸最高超过5μm并在溶液中形成稳定的悬浮液。本研究的液体剥离方法有望获得大尺寸和高产量的单层材料和用于定制特定功能的材料。本研究的HKTS材料也可作为电极材料,最高电容量达到了287 m Ah·g-1,循环充放电100次后仍有250 m Ah·g-1的电容量,其具有良好的充放电循环稳定性,有望成为潜在的储能材料。
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