一种MXene/Co-MOF复合电极材料、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于电容去离子用复合电极技术领域，具体涉及一种MXene/Co-MOF复合电极材料、制备方法及其应用。

背景技术

随着工业的快速发展，重金属废水大量排放，这些重金属废水进入水环境将会造成水资源污染和生态环境破坏。因此，寻找合理、高效的处理重金属废水的方法，对于保护生态环境、缓解水危机无疑是意义重大的。电容去离子技术具有能耗低、原位再生、对环境无二次污染等优点，在水处理领域有很大的应用潜力和广泛的应用前景。

电容去离子技术去除重金属污染物的关键在于电极材料。高性能电极材料的开发及研究是提高电容去离子技术分离效率和实用化程度以及降低过程能耗的核心环节。目前电容去离子技术电极材料以碳材料为主，但碳材料受限于可供离子吸附的比表面积及共存离子排斥效应的影响，导致脱盐量不高。因此，研制性能更加优异的电容去离子电极材料具有十分重要的理论和实践意义。

MXene(二维层状结构的过渡金属碳/氮/碳氮化物材料，具体是指一类具有M

发明内容

本发明的目的是提供一种MXene/Co-MOF复合电极材料、制备方法及其应用。

本发明运用复合材料的设计思路，构筑紧密耦合的MXene/Co-MOF复合电极材料，为解决上述问题提供了一个新的思路。本发明通过引入Co-MOF解决MXene自堆积效应造成暴露活性位点大量减少的问题，同时可提高Co-MOF的导电性，并提供额外的赝电容贡献。通过借助MOF材料的组分易调控、多孔性、高比表面积、可修饰的特点和MXene的高比表面积、高电导率、组分可调、耐酸碱等优势，弥补他们自身存在的不足，构筑新型高效、高稳定性的MXene/Co-MOF复合电极材料。该复合材料应用于电容去离子技术的电极材料去除有毒重金属，能有效的提高去除率。为电容去离子技术在污水处理的应用提供支持，为解决我国水资源短缺问题做出应有的贡献。

本发明首先提供一种MXene/Co-MOF复合电极材料的制备方法，其步骤如下：

1)将MAX粉末浸没在HF溶液中进行刻蚀，刻蚀完成静置一段时间后对溶液进行离心，收集沉淀后洗涤至中性；

2)将步骤1)洗涤至中性的沉淀放入蒸馏水中超声剥离，离心得到MXene材料；

3)将步骤2)得到的MXene材料放入N,N-二甲基甲酰胺中超声分散，超声完成后向其中加入1,3,5-苯三羧酸并搅拌，搅拌完成后将含有六水硝酸钴的N,N-二甲基甲酰胺溶液加入其中并搅拌，搅拌完成后将混合液转移到反应釜中进行反应，反应结束自然冷却到室温后将反应产物用N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇洗涤多次，直至洗涤液pH接近中性，产物真空干燥后得到本发明所述的MXene/Co-MOF复合电极材料。

进一步的，步骤1)中MAX粉末为Ti

进一步的，步骤1)中HF溶液的质量分数为20～40％。

进一步的，步骤1)中MAX粉末质量与HF溶液体积比为1g：10～20mL。

进一步的，步骤1)中刻蚀温度为25～45℃，刻蚀时间为24～48h。

进一步的，步骤1)中静置时间为20～40min。

进一步的，步骤2)中超声功率为600～1000W，超声时间为2～6h。

进一步的，步骤3)中MXene材料和1,3,5-苯三羧酸的用量为5～20mg：1mmol。

进一步的，所述的步骤3)中1,3,5-苯三羧酸与六水硝酸钴的用量摩尔比为1：1.6～2。

进一步的，所述的步骤3)反应釜中的反应温度为120～150℃，反应时间为10～20h。

进一步的，所述的步骤3)中，真空干燥的温度为60～90℃，真空干燥的时间为10～20h。

本发明所述的一种MXene/Co-MOF复合电极材料，其是由上述方法制备得到。

本发明还提供了上述MXene/Co-MOF复合电极材料作为活性材料组装电容去离子模块应用于水处理及资源回用领域，进一步用于去除水中重金属(重金属优选为Pb

本发明所述MXene/Co-MOF复合电极材料作为活性材料用于组装电容去离子模块，具体是将得到的MXene/Co-MOF复合电极材料作为活性材料和乙炔黑及PTFE按质量比8:1:1混合制成电极片，将制成的电极片、塑料网、集流体按次序压在一起组装成电容去离子模块，去离子模块中包括1个或多个该电极对，同一电极对的两电极之间用塑料网隔开形成流体通道，最外侧电极与集流体接触接入直流电源。

本发明的有益效果：

本发明先是采用刻蚀法刻蚀MAX材料得到MXene，再在MXene基体上生长Co-MOF材料；通过引入Co-MOF材料解决了MXene自堆积效应造成暴露活性位点大量减少的问题，同时可提高MOF材料的导电性，并提供额外的赝电容贡献；该MXene/Co-MOF复合电极材料具有良好的电容性能，应用于电容去离子技术的复合电极材料去除有毒重金属，能有效的提高去除率。

附图说明

图1为本发明实施例3所制备的V

图2为本发明实施例3所制备的V

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明的技术方案作进一步描述，但是，这些是实施例中所使用的具体方法和说明并不限制本发明的保护范围。

实施例1

1)将1.0g Ti

2)将步骤1)得到的材料放入100mL蒸馏水中在1000W超声下剥离6h，离心得到MXene材料。

3)将步骤2)得到的20mg MXene材料置于30mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)超声半小时，然后加入2mmol的1,3,5-苯三羧酸搅拌10min之后，将30mL含有六水硝酸钴(3.6mmol)的DMF溶液加入到上述混合物中，再搅拌10min，然后转移到反应釜中，120℃反应12h。自然冷却到室温，最后用DMF、乙醇多次清洗，70℃真空干燥12h，得到Ti

得到的Ti

实施例2

1)将1.0g Ti

2)将步骤1)得到的材料放入100mL蒸馏水中在700W超声下剥离4h，离心得到MXene材料。

3)将步骤2)得到的30mg MXene材料置于30mL DMF中超声半小时，然后加入2mmol的1,3,5-苯三羧酸搅拌10min之后，将30mL含有六水硝酸钴(3.6mmol)的DMF溶液加入到上述混合物中，再搅拌10min，然后转移到反应釜中，130℃反应12h。自然冷却到室温，最后用DMF、乙醇多次清洗，70℃真空干燥12h，得到Ti

得到的Ti

实施例3

1)将1.0g V

2)将步骤1)得到的材料放入100mL蒸馏水中在800W超声下剥离4h，离心得到MXene材料。

3)将步骤2)得到的20mg MXene材料置于30mL DMF中超声半小时，然后加入2mmol的1,3,5-苯三羧酸搅拌10min之后，将30mL含有六水硝酸钴(3.6mmol)的DMF溶液加入到上述混合物中，再搅拌10min，然后转移到反应釜中，120℃反应12h。自然冷却到室温，最后用DMF、乙醇多次清洗，70℃真空干燥12h，得到V

得到的V

本实施例制备的V

实施例3所制备的V