济南大学闫良国教授JCIS: 镍铁层状双氢氧化物/二硫化钼非对称电极对高浓度六价铬的电容去电离

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第一作者：Yang Dan

通讯作者：闫良国教授

通讯单位：济南大学水利与环境学院

论文DOI：10.1016/j.jcis.2022.12.100 

 研究背景

工业活动中无数剧毒重金属被排放到水体中，这是一个严重的环境安全问题。铬就是这样一种重金属。它主要以两种状态存在——三价铬（Cr（III））和六价铬（Cr（VI））。Cr（VI）具有剧毒，在环境中不能降解，而Cr（III）毒性低。Cr（VI）对环境有害，危害人体健康到致病的程度，影响社会的可持续发展。因此，必须使用有效的技术从废水中去除高浓度的Cr（VI）。目前，可用的技术主要包括吸附、沉淀、离子交换、膜分离、絮凝和电容去离子（CDI）。

CDI是一种新的、有前途的重金属废水处理方法，具有操作简单、能耗低、无二次污染等优点。具有高电容、优异的电化学导电性和良好稳定性的电极材料在CDI体系中发挥着重要作用。碳材料一般用作电极。例如，多孔碳已用作电极以去除30 mg/L水溶液中的Cr（VI），去除效率为90.5%。然而，识别具有增强去除能力的电极材料仍然很重要。

近年来，二维纳米材料，包括氧化石墨烯，层状双氢氧化物（LDHs）和二硫化钼（MoS₂)，根据其特有的电化学特性，已被用作CDI工艺中的电极材料。 LDHs具有许多有利的特性，例如可调节的层元素，夹层之间的阴离子交换以及高阴离子存储容量。由于其特性结构，LDHs非常适合用作CDI电极材料，以有效地脱盐，去磷和净化水中的有毒重金属离子。MoS₂是一种具有代表性的二维过渡金属层状化合物，已广泛应用于催化和吸附领域。由于其低成本、有利的电化学稳定性、理想的导电性和其他显着特性，它也被用作CDI的理想电去离子材料。

由于LDHs的非导电性，其他材料如碳基材料，或过渡金属化合物，可以与它们结合，以提高其在CDI期间的导电性和去离子能力。LDH-MoS₂复合材料已用于光催化和析氢，。然而，几乎没有关于使用LDHs和LDH基复合材料通过CDI去除水性Cr（VI）的研究。

本文亮点

为了评价LDH和LDH杂化体去除高浓度Cr(VI)的CDI性能，合成了镍铁-LDH (NiFe -LDH)及其与MoS₂的复合材料(NiFe/MoS₂)。MoS₂的加入促进了NiFe/MoS₂的电子传递，提高了其电导率，提高了其去除Cr(VI)的能力。本研究的目的是(i)采用尿素水解和水热法制备NiFe -LDH和NiFe /MoS₂;(ii)开展NiFe/MoS₂脱除高浓度Cr(VI)的批量CDI实验，考察工作电压、流速、去电离时间、初始浓度和共存阴离子对NiFe/MoS₂脱除Cr(VI)的影响;(iii)基于NiFe/MoS₂去电离后的特性，阐明NiFe/MoS₂//AC体系中Cr(VI)的去除机制。

图文导读

图 1.NiFe/MoS₂复合材料的制备工艺（a）和用NiFe/MoS₂组装的不对称CDI系统和交流电极 （b）。

图 2.NiFe-LDH、MoS₂和NiFe/MoS₂的 XRD 图谱 （a） 和 FTIR 光谱 （b）。

图3 NiFe-LDH(a, d)、MoS₂ (b, e)和NiFe/MoS₂ (c, f)的SEM (a-c)和HRTEM (d-f)图像。

图4 NiFe-LDH和NiFe/MoS₂的Ni 2p (a)和Fe 2p (b)的XPS谱，以及MoS₂和NiFe/MoS₂Mo 3d (c)和S 2p (d)谱。

图5 NiFe/MoS₂在不同扫描速率下的CV曲线(a)、NiFe- LDH和NiFe/MoS₂的CV曲线(b)、EIS谱(c)和GC谱(d)，以及NiFe/MoS₂在1 A /g下的长期GCD试验(e)。

图6 工作电压(a)、流速(b)、去电离时间(c)、Cr(VI)初始浓度(d)和常见阴离子(f)对NiFe/MoS₂对Cr(VI) CDI性能的影响，以及各种电极材料对水相Cr(VI) CDI容量的比较(e)。(实验条件:3个平行实验。pH:初始值，V = 100 mL, t = 240 min，电压= 1.2 V，流速= 20 mL/min，平行实验:三次;(a, b): C₀ = 50 mg/L (Cr(VI));(c): C₀ = 30-300 mg/L (Cr(VI))， (d): C₀ = 100 mg/L (Cr(VI)，共存阴离子))。

图7 Cr(VI)去电离后NiFe/MoS₂的XPS全=谱 (a)和Cr 2p (c)谱;Cr(VI)去电离前后NiFe/MoS₂的Mo 3d (b)和Ni 2p (d) XPS谱; NiFe/MoS₂(e)对Cr(VI)的去电离机制。

总结与展望

电容式去离子（CDI）是重金属废水处理的一种很有前途的方法，电极材料是一个关键因素。尽管在CDI工艺中已应用了许多层状双氢氧化物（LDHs）和LDH基复合材料来净化各种污染物，但关于去除六价铬水溶液（Cr（VI））的研究很少。为了改善电化学性能和去离子性能，镍-铁-LDH/二硫化钼杂化物（表示为NiFe/MoS₂））在研究中合成。MoS₂的加入提高了NiFe/MoS₂电极的电导率、电容可逆性、充电效率、库仑效率和稳定性，提高了NiFe- LDH对Cr(VI)的去电离效率。在初始溶液pH为Cr(VI)、工作电压为1.2 V、流速为20 mL/min、去离子时间为240 min的条件下，NiFe/MoS₂电极对Cr(VI)的最大去除率为106 mg/g。对100 mg/L Cr(VI)， NiFe/MoS₂电极的去除率超过99%，优于其他大多数材料的去除率。在高浓度的Cl⁻和SO₄²⁻下，NiFe/MoS₂对Cr(VI)的离子选择性也有所增加。Cr(VI)的去电离包括静电吸引、还原为低毒Cr(III)和表面络合。因此，NiFe/MoS₂在实际废水处理中是一种很有前途的Cr(VI)去除剂。然而，LDH基电极在CDI系统中去除水相Cr(VI)的能力和可重用性仍需进一步研究和提高。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.12.100

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