超亲水功能材料的制备与应用研究

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超亲水功能材料因具有独特的化学(催化、分离、吸附)、物理(电、光、声、热)以及生物功能已成为信息技术、能源技术、生物技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料,同时也对改造一些传统产业如化工、建材等起着重要作用。因此研究、发展超亲水功能材料对国家科学技术的进步具有重大推动作用。超亲水功能材料的制备方法丰富多样,根据不同应用功能采用不同的制备方式。本文针对超亲水功能材料的化学功能及应用,并基于其现阶段制备方法繁琐、复杂、成本高的现状,开发了简单、快速、低成本的方法,制得具有优良化学性能的超亲水功能材料,并将其应用于废水处理和电催化析氧反应领域,同时对其性能进行了详细的表征。具体研究内容如下:(1)高效处理水包油乳化液的超亲水纤维素膜。采用简单溶剂法制得高效耐久超亲水纤维素/聚乙烯醇(Cellulose/PVA)膜层,其在空气中的接触角为0o,显示出优异超亲水性。乳化油分离测试表明,超亲水膜层可以有效的分离不同类型及不同油滴尺寸的水包油型乳化液;稳定性测试试验表明超亲水膜层具有良好的长久稳定性、耐酸、碱性、抗腐蚀性等,为其在户外应用提供保障。简单、环保、低成本的制备方法及高效稳定的特性,拓宽了超亲水膜层在乳化液分离领域的实际应用。(2)高效稳定超亲水析氧催化电极FeS/FeOxHy的制备及性能研究。在电解水领域中,超亲水电极对水分子展现出的强烈吸附力可改变电解水领域各步骤的能垒而成为析氧催化剂的研究热点。本章,在室温下利用一步电沉积法在泡沫镍表面制备结晶/非晶的FeS/FeOxHy膜层。该超亲水电极有效的结合了对其催化活性及稳定性有着显著作用的金属氧(氢氧)化物、金属氧化物和金属硫化物这三类有效成分。在电解电流密度为10和1000 mA·cm-2时,其析氧过电位仅为245和540mV,Tafel斜率为77 mV·dec-1,证明FeS/FeOxHy电极具有较高的析氧催化性能。稳定性试验表明FeS/FeOxHy电极具有良好的催化稳定性。这项研究为开发非贵金属高效超亲水析氧催化剂提供了一个有效的策略。(3)超亲水三元Fe-V-S析氧催化电极的制备及性能研究。双金属三元析氧催化电极因各元素之间良好的相互协同作用,比二元FeS/FeOxHy电极显示出更复杂的析氧催化机理。在通过准确调节电化学沉积参数来控制析氧催化性能的基础之上,利用简单、快速电沉积法在泡沫镍表面实现了V元素的电沉积并制备了三元Fe-V-S析氧催化电极。电化学测试表明,三元Fe-V-S电极表现出有效的析氧催化活性,在电解电流密度为10 mA·cm-2时,其析氧过电位为240 mV,Tafel斜率为83 mV·dec-1,表明Fe-V-S电极具有良好催化活性。本章开发的三元析氧催化电极为未来电解水的有效发展创造积极条件。
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