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在鋰硫電池領(lǐng)域，有一種“神奇”的方法，能將不導(dǎo)電的聚丙烯腈（PAN）高分子材料變得導(dǎo)電，并將之作為電池的正極材料使用。
這種方法是硫化（vulcanization）。通過將PAN與硫粉研磨混合，在氬氣氣氛中300 °C加熱。該過程中PAN發(fā)生環(huán)化，導(dǎo)電率增大。同時在碳鏈上形成二硫鍵，產(chǎn)生活性位點。
李巨教授、朱美芳院士、徐桂銀研究員等近日獨辟蹊徑，將來自鋰硫電池的硫化PAN電極應(yīng)用于水體凈化，濾除水中Hg2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+四種重金屬離子。相關(guān)成果已發(fā)表在Advanced Functional Materials上，第一作者為麻省理工學(xué)院訪問教授李鵬。
文章要點
1、合成方法：利用便捷的涂布法（dip-coating），將硫化PAN顆粒整合至三聚氰胺海綿中。電鏡圖片顯示，硫化PAN顆粒填充在三聚氰胺網(wǎng)格的孔隙中（圖1）。
圖1. 重金屬濾材的制備，獨辟蹊徑！研究人員用鋰硫電池的電極打造價廉。活性材料是硫化PAN（PAN-S）。圖源：Adv. Funct. Mater.
2. 過濾原理：硫化PAN的C—N，C=N，C—S—S—C基團表現(xiàn)出軟堿性質(zhì)。據(jù)軟硬酸規(guī)則（HSAB），這些軟堿基團與Hg2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+軟酸離子作用力強，能通過靜電吸引束縛重金屬離子，完成水體凈化（圖2a、2b）。
3. 過濾效果：三次循環(huán)吸附后，廢水中的Hg2+和Pb2+仍可完全移除，Cu2+和Cd2+的移除率近100%。
圖2. （a）硫化PAN濾材凈水過程示意圖；（b）硫化PAN的分子結(jié)構(gòu)示意圖。鏈上的硫鍵、N位點是吸引重金屬離子的活性位；（c）四種重金屬離子的移除效率。Hg2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+初始濃度分別為5.0、3.0、60.0和3.0 mg/L，溶液體積300 mL。圖源：Adv. Funct. Mater.
4. 可回收性：吸附上重金屬離子的硫化PAN濾材可通過施加正電壓將吸附的金屬離子脫離濾材表面（圖3a）。在電場驅(qū)動下，這些金屬離子朝對電極遷移，并在對電極上以單質(zhì)形式沉積下來（圖3d）。該過程同時完成濾材凈化與重金屬回收，一舉兩得。
再生六次的電極每次對Hg2+的吸附效果未表現(xiàn)出明顯降低（圖3b）。雖然溶液中檢測到些許從硫化PAN濾材上溶出的SO32-與SO42-（圖3c），但水體中的硫含量仍在安全濃度范圍內(nèi)。
圖3. 硫化PAN濾材的“重生”。通過施加正電壓使吸附的重金屬離子從濾材表面脫附。脫離的重金屬離子在對電極上沉積為金屬單質(zhì)。圖源：Adv. Funct. Mater.
5. 經(jīng)濟與環(huán)保效應(yīng)：如下圖所示，本工作報道的濾材可以通過太陽能等清潔能源轉(zhuǎn)換而來的電能完成回收利用，不斷為居民區(qū)提供重金屬含量極低的安全飲用水。
整個裝置的造價與電能成本總計僅30.75美元。Hg2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+處理成本分別為0.17、0.47、0.94、0.94美元/噸。處理成本與現(xiàn)行技術(shù)相當(dāng)甚至更低，并且整個過程更為環(huán)保。
圖4. 該濾膜材料地表重金屬廢水凈化與濾材再生循環(huán)預(yù)期模式示意圖。濾材吸附重金屬離子后通過清潔能源轉(zhuǎn)換的電能脫附離子再生，所處理的水達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，還能回收重金屬。整個過程清潔環(huán)保。圖源：Adv. Funct. Mater.
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202105845
封面圖源自于圖蟲創(chuàng)意
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