Green quaternary ammonium nitrogen functionalized mesoporous biochar for sustainable electro-adsorption of perchlorate

生物炭 介孔材料 吸附 化学工程 表面改性 无机化学 材料科学 电化学 高氯酸盐 电极 热解 吸附 化学 催化作用 有机化学 离子 物理化学 工程类
作者
Bei Wang,Yunbo Zhai,Tianjue Hu,Qiuya Niu,Shanhong Li,Xiangmin Liu,Xiaoping Liu,Zhexian Wang,Caiting Li,Min Xu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:419: 129585-129585 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.129585
摘要

Abstract In this work, functional mesoporous bean dregs-based biochar electrodes were prepared by electrophoretic deposition for perchlorate (ClO4-) electro-sorption. We characterized the textural and electrochemical properties of the biochar and determined the kinetics of electro-adsorption. The results show that 15% concentration of ZnO nanoparticle modification is recommended to increase the mesoporous volume, specific surface area, hydrophilicity and conductivity of biochar materials. After betaine functionalization, the obtained biochar (BK-Z15%-N) possesses an excellent electrochemical performance with high current density, charging capacity, and low ohmic impedance. As expected, it presents an electro-adsorption capacity of 28.31 mg g-1 toward 20 mg L-1 ClO4- at 1 V, which is four times higher than that without voltage and much better than other electrodes in this study and most reported data. The electro-adsorption of ClO4- on BK-Z15%-N electrode fits the fractal model, which is a complex process controlled by the electrical force and independent of solution pH. BrO3- and Cl- are the most competitive anion to ClO4- electro-sorption. Notably, it maintains a sustainable electrochemical regeneration ability due to the reversible redox activity of quaternary amine groups. Therefore, this study offers a remarkable and reliable method for improving the electro-sorption performance of perchlorate.
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