自支撐普魯士藍@碳納米纖維基電池電容器用于鉀回收

DOI:10.1016/j.cej.2020.124162

普魯士藍（PB）具有豐富的間隙位置和較高的理論容量，在電池和電容去離子方面有廣闊的應用前景。本文中，研究者開發了一種在電紡柔性富鐵多孔碳納米纖維（Fe-CNF）上原位生長PB的簡便方法，以獲得自支撐的PB鑲嵌CNF（PB@CNF）。Fe-CNF在K4[Fe(CN)6]水溶液中經緩慢加酸簡單孵育后，大量的PB顆粒被均勻、緊密地限定在纖維孔內，具有良好的穩定性。由于PB顆粒沿導電CNF基質均勻分布，PB@CNF可直接用作自支撐電池電極，且具有318.4 F·g-1的優異比容量。該自支撐PB@CNF電極已成功應用于電池電容器去離子裝置中以實現選擇性鉀吸附，具有2.55 mmol·g-1（相當于190.1 mg·g-1 kcl吸附量）的超高吸附容量和良好的穩定性。在Na+、Ca2+和Mg2+共存的合成海水中，K+的回收率達到73.4%。這種合成方法對設計用于電容器和電池的柔性電極具有極大的潛力。

圖1.PB@CNF作為柔性自支撐電池電極的制備過程示意圖。

圖2.（a）Fe-CNF和（c）PB@CNF的SEM圖像。（b）和（d）分別對應于（a）和（c）的放大圖像。

圖3.（a）PB@CNF的TEM圖像。（b）（a）的高分辨率TEM圖像。下圖對應于（a）的C、N、K和Fe元素的分布。

圖4.（a）樣品的FITR光譜、（b）拉曼光譜、（c）XRD圖和（d）N2吸附-解吸等溫線。

圖5.（a）Fe-CNF和PB@CNF的奈奎斯特圖。（b）Fe-CNF和PB@CNF的相應比容量曲線。

圖6.（a）掃描速率為3 mV·s-1，PB@CNF在1 M不同鹽溶液中的CV曲線。（b）PB@CNF在不同掃描速率（1-10 mV·s-1）下的對應比容量。在（c）1 M KCl和（d）1 M NaCl溶液中不同電流密度下PB@CNF的GCD曲線。

圖7.PB@CNF||AC和Fe-CNF||AC細胞在10 mM KCl溶液中的K+吸附性能。

圖8.（a）在包含10 mM單鹽溶液（KCl，NaCl，CaCl2和MgCl2）的PB@CNF||AC電池中，充放電循環中不同陽離子的吸附能力隨時間的變化情況。電流密度：10 mA·g-1。（b）合成海水中不同陽離子的回收百分比。誤差條顯示相對標準偏差（n=3）。

圖9.PB@CNF||AC電池中K+回收率的循環穩定性測試。