荷叶衍生多孔碳的零电荷电位调节实现废水中电化学捕集镉离子

叶萍 覃玲霜 贺萌瑶 巫方方 陈增烨 梁明星 邓立波

引用本文: 叶萍, 覃玲霜, 贺萌瑶, 巫方方, 陈增烨, 梁明星, 邓立波. 荷叶衍生多孔碳的零电荷电位调节实现废水中电化学捕集镉离子[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3): 231103. doi: 10.3866/PKU.WHXB202311032 shu
Citation:  Ping Ye, Lingshuang Qin, Mengyao He, Fangfang Wu, Zengye Chen, Mingxing Liang, Libo Deng. Potential of Zero Charge-Mediated Electrochemical Capture of Cadmium Ions from Wastewater by Lotus Leaf-Derived Porous Carbons[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(3): 231103. doi: 10.3866/PKU.WHXB202311032 shu

荷叶衍生多孔碳的零电荷电位调节实现废水中电化学捕集镉离子

    通讯作者: Email: mxliang@szu.edu.cn (M.L.); Email: Denglb@szu.edu.cn (L.D.); Tel.: +86-0755-26923173 (L.D.)
  • 基金项目:

    深圳市科技计划 JCYJ20220818095806013

    深圳市科技计划 JCYJ20230808105111022

    广东省自然科学基金 2023A1515012267

    国家自然科学基金 22178223

    国家资助博士后研究人员计划 GZC20231721

摘要: 随着电池、电镀和采矿业的发展,镉(Cd2+)等重金属离子被大量排放,对环境造成严重威胁。由于废水中Cd2+浓度低,传统的去除技术存在动力学慢、二次污染等问题。因此,本文通过微波热解和KOH活化工艺,制备了荷叶衍生碳,开发了基于生物质衍生碳、不对称结构的电容性去离子(CDI)系统。结果表明,获得的纳米片状薄碳(NSTC-3)具有3705.0 m2∙g-1的超高比表面积,在0.5 A∙g-1电流密度下展现了92.5 F∙g-1的比电容(NSTC-3为工作电极,商业活性炭YP-50F为对电极)。分别以YP-50F、NSTC-3为阳极和阴极,在1.2 V电压下,实现了88.6 mgCd·gcathode-1的电吸附容量(Cd2+的初始浓度为100 mg∙L-1),比对称构型(NSTC-3//NSTC-3)的性能提高了36.3%。优异的去除性能和良好的循环稳定性归因于电极表面电荷性质的调控和不对称电极结构的构建,从而最大限度地减少了同离子排斥,调节了电极电势分布。本研究为设计生物炭基电化学水处理工艺提供了新思路。

English

    1. [1]

      Elimelech, M.; Phillip, W. A. Science 2011, 333 (6043), 712. doi: 10.1126/science.1200488

    2. [2]

      Wei, B.; Yang, L. Microchem. J. 2010, 94 (2), 99. doi: 10.1016/j.microc.2009.09.014

    3. [3]

      Xu, Y.; Xiang, S.; Zhang, X.; Zhou, H.; Zhang, H. J. Hazard. Mater. 2022, 439, 129575. doi: 10.1016/j.jhazmat.2022.129575

    4. [4]

      Qasem, N. A. A.; Mohammed, R. H.; Lawal, D. U. NPJ Clean Water 2021, 4 (1), 36. doi: 10.1038/s41545-021-00127-0

    5. [5]

      李保庆, 袁文辉, 李莉. 物理化学学报, 2016, 32 (4), 997. doi: 10.3866/PKU.WHXB201602182Li, B.; Yuan, W.; Li, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32 (4), 997. doi: 10.3866/PKU.WHXB201602182

    6. [6]

      Liang, M.; Liu, N.; Zhang, X.; Xiao, Y.; Yang, J.; Yu, F.; Ma, J. Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (49), 2209741. doi: 10.1002/adfm.202209741

    7. [7]

      王雷, 于飞, 马杰. 物理化学学报, 2017, 33 (7), 1338. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704113Wang, L.; Yu, F.; Ma, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33 (7), 1338. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704113

    8. [8]

      Zhao, C.; Wang, X.; Zhang, S.; Sun, N.; Zhou, H.; Wang, G.; Zhang, Y.; Zhang, H.; Zhao, H. Environ. Sci. : Water Res. Technol. 2020, 6 (2), 331. doi: 10.1039/C9EW00472F

    9. [9]

      Chen, Y.; Zhang, Z.; Deng, W.; Wang, Z.; Gao, M.; Gao, C.; Chen, W.; Dai, Q.; Ueyama, T. Desalination 2022, 521, 115384. doi: 10.1016/j.desal.2021.115384

    10. [10]

      Wang, S.; Chen, D.; Zhang, Z.; Hu, Y.; Quan, H. Sep. Purif. Technol. 2022, 290, 120912. doi: 10.1016/j.seppur.2022.120912

    11. [11]

      Song, Z.; Li, L.; Chen, Y.; Duan, X.; Ren, N. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 148, 10. doi: 10.1016/j.jmst.2022.11.016

    12. [12]

      Fleischmann, S.; Zhang, Y.; Wang, X.; Cummings, P. T.; Wu, J.; Simon, P.; Gogotsi, Y.; Presser, V.; Augustyn, V. Nat. Energy 2022, 7 (3), 222. doi: 10.1038/s41560-022-00993-z

    13. [13]

      文越华, 曹高萍, 程杰, 杨裕生. 物理化学学报, 2005, 21 (5), 494. doi: 10.3866/PKU.WHXB20050507Wen, Y.; Cao, G.; Cheng, J.; Yang, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2005, 21 (5), 494. doi: 10.3866/PKU.WHXB20050507

    14. [14]

      李道琰, 张基琛, 王志勇, 金先波. 物理化学学报, 2017, 33 (11), 2245. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705241Li, D.; Zhang, J.; Wang, Z.; Jin, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33 (11), 2245. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705241

    15. [15]

      郭楠楠, 张苏, 王鲁香, 贾殿赠. 物理化学学报, 2020, 36 (2), 21. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903055Guo, N.; Zhang, S.; Wang, L.; Jia, D. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36 (2), 21. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903055

    16. [16]

      Chandrasekaran, S.; Hu, R.; Yao, L.; Sui, L.; Liu, Y.; Abdelkader, A.; Li, Y.; Ren, X.; Deng, L. Nano-Micro Lett. 2023, 15 (1), 48. doi: 10.1007/s40820-023-01022-8

    17. [17]

      李君涛, 吴娇红, 张涛, 黄令. 物理化学学报, 2017, 33 (5), 968. doi: 10.3866/PKU.WHXB201702093Li, J.; Wu, J.; Zhang, T.; Huang, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33 (5), 968. doi: 10.3866/PKU.WHXB201702093

    18. [18]

      Chu, M.; Tian, W.; Zhao, J.; Zhang, D.; Zou, M.; Lu, Z.; Jiang, J. Desalination 2023, 556, 116588. doi: 10.1016/j.desal.2023.116588

    19. [19]

      Srimuk, P.; Su, X.; Yoon, J.; Aurbach, D.; Presser, V. Nat. Rev. Mater. 2020, 5 (7), 517. doi: 10.1038/s41578-020-0193-1

    20. [20]

      Wu, T.; Wang, G.; Zhan, F.; Dong, Q.; Ren, Q.; Wang, J.; Qiu, J. Water Res. 2016, 93, 30. doi: 10.1016/j.watres.2016.02.004

    21. [21]

      Nguyen, T. K. A.; Huynh, T. V.; Doong, R. A. Chem. Eng. J. 2023, 475, 146439. doi: 10.1016/j.cej.2023.146439

    22. [22]

      Deng, H.; Wang, Z.; Kim, M.; Yamauchi, Y.; Eichhorn, S. J.; Titirici, M. M.; Deng, L. Nano Energy 2023, 117, 108914. doi: 10.1016/j.nanoen.2023.108914

    23. [23]

      Cohen, I.; Avraham, E.; Bouhadana, Y.; Soffer, A.; Aurbach, D. Electrochim. Acta 2015, 153, 106. doi: 10.1016/j.electacta.2014.12.007

    24. [24]

      Oghbaei, M.; Mirzaee, O. J. Alloys Compd. 2010, 494 (1), 175. doi: 10.1016/j.jallcom.2010.01.068

    25. [25]

      Wei, W.; Gu, X.; Wang, R.; Feng, X.; Chen, H. Nano Lett. 2022, 22 (18), 7572. doi: 10.1021/acs.nanolett.2c02583

    26. [26]

      He, R.; Neupane, M.; Zia, A.; Huang, X.; Bowers, C.; Wang, M.; Lu, J.; Yang, Y.; Dong, P. Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (49), 2208040. doi: 10.1002/adfm.202208040

    27. [27]

      Mo, F.; Zhang, H.; Wang, Y.; Chen, C.; Wu, X. J. Energy Storage 2022, 49, 104122. doi: 10.1016/j.est.2022.104122

    28. [28]

      Chen, J.; Mao, Z.; Zhang, L.; Wang, D.; Xu, R.; Bie, L.; Fahlman, B. D. ACS Nano 2017, 11 (12), 12650. doi: 10.1021/acsnano.7b07116

    29. [29]

      Song, Z.; Miao, L.; Lv, Y.; Gan, L.; Liu, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62 (38), e202309446. doi: 10.1002/anie.202309446

    30. [30]

      Zhang, Y.; Song, Z.; Miao, L.; Lv, Y.; Gan, L.; Liu, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63 (3), e202316835. doi: 10.1002/anie.202316835

    31. [31]

      Zhang, Y.; Song, Z.; Miao, L.; Lv, Y.; Gan, L.; Liu, M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15 (29), 35380. doi: 10.1021/acsami.3c06849

    32. [32]

      Ma, X.; Wu, Q.; Wang, W.; Lu, S.; Xiang, Y.; Aurbach, D. J. Mater. Chem. A 2020, 8 (32), 16312. doi: 10.1039/D0TA00682C

    33. [33]

      Zhu, Y.; Murali, S.; Stoller, M. D.; Ganesh, K. J.; Cai, W.; Ferreira, P. J.; Pirkle, A.; Wallace, R. M.; Cychosz, K. A.; Thommes, M.; et al. Science 2011, 332 (6037), 1537. doi: 10.1126/science.1200770

    34. [34]

      Ye, G.; Liu, S.; Huang, K.; Wang, S.; Zhao, K.; Zhu, W.; Su, Y.; Wang, J.; He, Z. Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (18), 2111396. doi: 10.1002/adfm.202111396

    35. [35]

      Wu, S.; Chen, G.; Kim, N. Y.; Ni, K.; Zeng, W.; Zhao, Y.; Tao, Z.; Ji, H.; Lee, Z.; Zhu, Y. Small 2016, 12 (17), 2376. doi: 10.1002/smll.201503855

    36. [36]

      Zhang, W.; Sun, M.; Yin, J.; Lu, K.; Schwingenschlogl, U.; Qiu, X.; Alshareef, H. N. Adv. Energy Mater. 2021, 11 (41), 9. doi: 10.1002/aenm.202101928

    37. [37]

      Zhang, H.; Wang, C.; Zhang, W.; Zhang, M.; Qi, J.; Qian, J.; Sun, X.; Yuliarto, B.; Na, J.; Park, T.; et al. J. Mater. Chem. A 2021, 9 (21), 12807. doi: 10.1039/d0ta10797b

    38. [38]

      Temesgen, T.; Bekele, E. T.; Gonfa, B. A.; Tufa, L. T.; Sabir, F. K.; Tadesse, S.; Dessie, Y. J. Energy Storage 2023, 73, 109293. doi: 10.1016/j.est.2023.109293

    39. [39]

      Deng, H.; Wei, W.; Yao, L.; Zheng, Z.; Li, B.; Abdelkader, A.; Deng, L. Adv. Sci. 2022, 9 (30), 2203189. doi: 10.1002/advs.202203189

    40. [40]

      Cao, Z.; Hu, S.; Yang, Q.; Yu, J.; Pan, Y.; Zuo, J.; Song, H.; Ye, Z.; Zhang, S. Chem. Eng. J. 2022, 450, 138126. doi: 10.1016/j.cej.2022.138126

    41. [41]

      Xu, X.; Wang, M.; Liu, Y.; Lu, T.; Pan, L. J. Mater. Chem. A 2016, 4 (15), 5467. doi: 10.1039/C6TA00618C

    42. [42]

      Cheng, Y.; Liu, J. Mater. Res. Lett. 2013, 1 (4), 175. doi: 10.1080/21663831.2013.808712

    43. [43]

      Huang, Z.; Lu, L.; Cai, Z.; Ren, Z. J. Hazard. Mater. 2016, 302, 323. doi: 10.1016/j.jhazmat.2015.09.064

    44. [44]

      Wu, J.; Wang, T.; Zhang, Y.; Pan, W. Bioresour. Technol. 2019, 291, 121859. doi: 10.1016/j.biortech.2019.121859

    45. [45]

      Feizi, M.; Jalali, M.; Antoniadis, V.; Shaheen, S. M.; Ok, Y. S.; Rinklebe, J. J. Hazard. Mater. 2019, 379, 10. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.04.050

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  132
  • HTML全文浏览量:  0
文章相关
  • 发布日期:  2025-03-15
  • 收稿日期:  2023-11-26
  • 接受日期:  2024-02-04
  • 修回日期:  2024-01-09
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章