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Green double organic salt activation strategy for one-step synthesis of N-doped 3D hierarchical porous carbon for capacitive deionization

电容去离子 一步到位 化学工程 材料科学 多孔性 电容感应 兴奋剂 碳纤维 盐(化学) 多孔介质 无机化学 化学 电化学 电极 复合材料 有机化学 光电子学 电气工程 工程类 物理化学 复合数
作者
Mingxing Shi,Xianyong Hong,Chun Liu,Hua Qiang,Fengyun Wang,Mingzhu Xia
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:453: 139764-139764 被引量:108
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.139764
摘要

• 3D N-doped hierarchical porous carbons (3DNHPC) are prepared in a green strategy. • Tertiary porous structure and surface-exposed active sites accelerate ion insertion. • Superior desalination capacity and rapid desalination rate are achieved. • Ultrahigh water recovery and productivity are acquired. Exploiting a sustainable and effective strategy for fabricating 3D N-doped hierarchical porous carbon (3DNHPC) for capacitive deionization (CDI) is a huge challenge for desalination. The traditional methods often adopt expensive precursors, complex routes and strong corrosive activators that are harmful for its practical application. Herein, a novel green double organic salt activation strategy is developed that utilizes lotus stem (LS) with a regular 3D macroarray structure to acquire 3DNHPC x . Different from single C 6 H 5 K 3 O 7 or Na 2 EDTA activation, 3DNHPC x obtained under double organic salt co-activation exhibits a suitable micro-meso-macro porous structure with a high BET surface area (S BET ) of 2256.2 m 2 /g, a large pore volume of 1.02 cm 3 /g, a remarkable mesoporous volume of 0.41 cm 3 /g and 1.31% N content. Its unique tertiary pore structure and copious surface-exposed active sites facilitate the ions rapid insertion and extraction from the micropores. The assembled CDI cells achieve a superior salt removal capability of 25.36 mg/g as well as a splendid volumetric adsorption capacity (VAC) of 6.21 mg/cm 3 and an ultrafast average salt removal rate of 7.84 mg/g/min. Meanwhile, 3DNHPC 11 maintain 89.4% adsorption capacity after 50 cycles. Besides, 3DNHPC 11 obtains a high water recovery (WR) of 82.2% and high productivity of 290 g NaCl /g C /(h m 2 ) or 108.1 g NaCl /cm 3 C /(h m 2 ). This work sheds light on one way to design economical and eco-friendly 3DNHPCs for high-performance CDI desalination.
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