一种钠离子储存/释放电极材料Na3Fe2(PO4)3及其制备方法和应用

一种钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及新能源及节能技术领域，具体涉及一种钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着全球工业的迅速发展，淡水资源短缺问题日益严重，目前全球43个国家约有7亿人正遭受饮用水不足的危机。海水淡化是增加全球淡水资源的有效方法。然而现有的海水淡化技术如多效蒸馏法，多级闪蒸，机械蒸汽压缩，反渗透脱盐和电渗析等面临高能耗和高成本的问题。电容式脱盐(cdi)由于其运行条件温和，便携性强且低能耗，被认为是有潜力的海水淡化技术，但是cdi的除盐能力低，除盐效果约为12mg盐/g材料，而且除盐过程中副反应多，从而造成电极的能源效率低。海水淡化电池具有cdi的优点，副反应较少，又具有高除盐容量，因此，海水淡化电池的发展将带来巨大的经济效益以及社会效益。
3.海水淡化电池由钠离子储存/释放电极和氯离子储存/释放电极组成，依靠海水中钠离子和氯离子分别与电极材料进行电化学反应实现海水淡化。当钠离子(na
+
)储存/释放电极的电势低于氯离子(cl-)储存/释放电极的电势时，钠离子(na
+
)会插入钠(na
+
)储存/释放电极，氯离子(cl-)会嵌入氯离子(cl-)储存/释放电极，即海水淡化电池在充电过程中实现除盐。海水淡化电池放电过程中，钠离子(na
+
)储存/释放电极脱出钠离子，氯离子(cl-)储存/释放电极脱出氯离子，实现电极材料的再生和能量回收。因此，优异的储钠离子和储氯离子电极材料是发展高性能海水淡化电池的关键。目前的钠离子储存/释放电极材料主要是na2mn5o
10
、na4ti9o
20
、nati2(po4)3、na
3v2
(po4)3、普鲁士蓝等，但上述电极材料存在循环稳定性差或除盐容量小等问题。因此，制备出优异的钠离子储存/释放电极材料对于高性能海水淡化电池的发展具有重要意义。
4.基于此，本发明合成出用于海水淡化电池钠离子储存/释放电极材料 na3fe2(po4)3的来解决钠离子储存/释放电极材料稳循环定性差和除盐容量小的问题，此外，本发明电极材料环境友好、制备简单、原料来源广泛、成本低。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种钠离子储存/释放电极材料 na3fe2(po4)3及其制备方法和应用。以na3fe2(po4)3作为钠离子储存/释放电极材料，电极材料的原料来源广泛、成本低，制备方法简单且对环境友好，并有效提高海水淡化电池循环稳定性和除盐容量。
6.为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3的制备方法，以fe(no)3·
9h2o，nano3和nh4h2po4和柠檬酸为原料，经高温煅烧后获得。
8.进一步的，所述钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3的制备方法具体包括以下
步骤：
9.步骤1：将fe(no)3·
9h2o，nano3和nh4h2po4以摩尔比2:3:3分别溶于去离子水中，然后加入柠檬酸，所述柠檬酸的物质的量超过fe(no)3·
9h2o与 nano3物质的量之和，搅拌后获得溶胶；
10.步骤2：加热溶胶，蒸干水分获得湿凝胶，然后放置烘箱中烘干，获得干凝胶；
11.步骤3：将干凝胶研磨后煅烧，获得钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3。
12.进一步的，所述步骤1中去离子水的添加量可溶解fe(no)3·
9h2o，nano3和nh4h2po4即可。
13.进一步的，所述步骤3中煅烧的方式为以升温速率2-9℃/min升到450-850℃后烧结10-18小时，冷却研磨后，再次以升温速率2-9℃/min升到450-850℃，继续烧结10-18小时。
14.第二方面，本发明提供一种钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3，采用上述制备方法制备而成。
15.第三方面，本发明提供钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3在海水淡化电池中的应用，将钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3采用涂覆法制备成钠离子储存/释放电极。
16.进一步的，所述涂覆法为将钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3研磨后加入粘结剂后搅拌均匀，得到浆料混合物，将浆料混合物涂覆于碳纸上，然后真空干燥。
17.进一步的，所述海水淡化电池为三电极体系，以钠离子储存/释放电极为工作电极，以银电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，nacl溶液作为电解液。
18.本发明的有益效果为：
19.本发明提供的钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3的制备方法简单且对环境友好，原料来源广泛、成本低；获得的钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3制备成的钠离子储存/释放电极作为海水淡化电池的工作电极，有效提高海水淡化电池循环稳定性和除盐容量。
附图说明
20.图1为本发明实施例1制备的钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3的 xrd图谱；
21.图2为本发明实施例2制备的na3fe2(po4)3工作电极第25个除盐循环时的充放电曲线。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.实施例1
24.钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3的制备方法具体包括以下步骤：
25.步骤1：将2mm fe(no)3·
9h2o，3mm nano3和3mm nh4h2po4分别溶于去10ml离子水
中，然后加入6mm柠檬酸，搅拌获得溶胶；
26.步骤2：加热溶胶，蒸干水分获得湿凝胶，然后放置烘箱中烘干，获得干凝胶；
27.步骤3：将干凝胶研磨后煅烧，煅烧的方式为以升温速率3℃/min升到450℃后烧结10小时，冷却研磨后，再次以升温速率2℃/min升到450℃，继续烧结 12小时。获得钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3。
28.制备的钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3的xrd图如图1所示。
29.实施例2
30.钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3的制备方法具体包括以下步骤：
31.步骤1：将6mm fe(no)3·
9h2o，9mm nano3和9mm nh4h2po4分别溶于去25ml离子水中，然后加入18mm柠檬酸，搅拌获得溶胶；
32.步骤2：加热溶胶，蒸干水分获得湿凝胶，然后放置烘箱中烘干，获得干凝胶；
33.步骤3：将干凝胶研磨后煅烧，煅烧的方式为以升温速率5℃/min升到550℃后烧结13小时，冷却研磨后，再次以升温速率4℃/min升到600℃，继续烧结 15小时。获得钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3。
34.实施例3
35.钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3的制备方法具体包括以下步骤：
36.步骤1：将10mm fe(no)3·
9h2o，15mm nano3和15mm nh4h2po4分别溶于去50ml离子水中，然后加入30mm柠檬酸，搅拌获得溶胶；
37.步骤2：加热溶胶，蒸干水分获得湿凝胶，然后放置烘箱中烘干，获得干凝胶；
38.步骤3：将干凝胶研磨后煅烧，煅烧的方式为以升温速率5℃/min升到550℃后烧结13小时，冷却研磨后，再次以升温速率4℃/min升到600℃，继续烧结 15小时。获得钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3。
39.实施例4
40.钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3的制备方法具体包括以下步骤：
41.步骤1：将8mm fe(no)3·
9h2o，12mm nano3和12mm nh4h2po4分别溶于去40ml离子水中，然后加入22mm柠檬酸，搅拌获得溶胶；
42.步骤2：加热溶胶，蒸干水分获得湿凝胶，然后放置烘箱中烘干，获得干凝胶；
43.步骤3：将干凝胶研磨后煅烧，煅烧的方式为以升温速率9℃/min升到800℃后烧结16小时，冷却研磨后，再次以升温速率5℃/min升到700℃，继续烧结 18小时。获得钠离子储存/释放电极材料na3fe2(po4)3。
44.实施例5
45.一种海水淡化电池，以钠离子储存/释放电极为工作电极，以银电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，nacl溶液作为电解液。
46.所述钠离子储存/释放电极的制备方法为将实施例1制备获得的钠离子储存/ 释放电极材料na3fe2(po4)3研磨后加入粘结剂后搅拌均匀，得到浆料混合物，将浆料混合物涂覆于碳纸上，然后真空干燥。
47.实验数据
48.测试实施例5制备的海水淡化电池的除盐性能。测试方法为工作电极与对电极侧相对放置，参比电极放置在中间，电极表面涂覆有材料的部分完全浸入 nacl溶液中。采用
电化学工作站对电极除盐容量进行测试。采用1m nacl溶液作为电解质，电流密度为200ma/g，电压范围为-1.0v～0.5v(vs.ag/agcl), 测试钠离子储存/释放电极为工作电极去盐性能。图2为第25个除盐循环的充放电曲线，由图2可知，钠离子储存/释放电极除盐容量为62mg/g，具有良好的循环稳定性和除盐量。
49.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。