氮磷共掺杂碳材料与磷化铁集成电极材料问世

安徽理工大学材料科学与工程学院副教授黄新华在电容去离子研究领域取得新进展，制备出氮磷共掺杂碳基材料和磷化铁分散氮、磷掺杂多孔碳电极材料，并将上述两种材料用于高选择性去除废水中重金属铜离子。相关研究成果相继发表在《脱盐》和《化学工程杂志》上。

  氮磷共掺杂碳材料高效吸附铜离子配位机理示意图。安徽理工大学供图

“杂原子掺杂被认为是改善电极特性的有效方法。但目前，单氮掺杂的电极材料往往在使用中会收到空间位阻的抑制。如果氮掺杂的基础上进一步引入磷元素，可通过氮和磷的协同共掺杂强化碳基质中的固有缺陷，优化电子分布，从而改善电容去离子性能。”黄新华向《中国科学报》介绍。

黄新华利用无毒的植酸作为磷源，在氮掺杂的基础上，通过原位热解法制备了氮、磷掺杂碳材料用于吸附重金属铜离子，并在连续的吸附-脱附循环测试中考验其稳定性能。

磷化铁分散得氮、磷掺杂碳材料空位策略优化吸附铜离子示意图。 安徽理工大学供图

磷化铁因其高理论容量和环境友好的性质脱颖而出，成为一种有潜力的电极材料。

然而，在纯磷化铁材料的电化学过程中因其缓慢的扩散动力学，阻碍了倍率性能，导致在循环过程中容量显著下降。研究人员可通过主要涉及提高扩散系数和缩短电荷的扩散路径解决这些限制。

黄新华利用氮和磷掺杂的聚合物吸附硝酸铁作为前驱物，通过热解过程实现了磷化铁纳米颗粒在碳基框架中的原位生成，制备了电极材料。

“研究表明，通过磷空位的引入不仅增加了材料的导电性，还为吸附提供了更多的活性位点，缩短了铜离子离子的扩散路径，减轻了运行中的体积变化，大大提高了去离子效率和选择性。相较于单氮掺杂碳材料，电吸附性能提高了120倍，在18个连续的吸附-脱附循环后，铜离子去除率保持在102%左右。”黄新华说。

进一步地，黄新华通过密度泛函理论计算阐明了吸附选择性，并对铜离子的吸附-脱附机理进行了深入研究。其中，铜离子与电极相互作用时表现出最高的吸附能。这一发现强调了该电极对铜离子具有最显著的亲和力。