PU材料在電化學領域的新應用：材料世界網

以PTMEG與GMS量身設計(Tailor Designed)製備之高撓性疏水PU彈性體可當作活性碳電極黏結劑，電極與集電板接著性佳，可有效的降低界面電阻，其電容表現與以PVDF為黏結劑的活性碳電極不相上下。於電容脫鹽實驗中，PU電極具有較佳的離子吸、脫附可逆性與穩定性。

本文將從以下大綱，介紹PU材料在電化學方面的一個新應用。
‧前言
‧實驗部分
　1.疏水性PU彈性體的製備
　2.活性碳電極製作
　3.電化學分析
‧結果與討論
　1.電極與集電板間黏著性
　2.電極之電容測試
　3.電極之電化學阻抗分析
　4.電極之電吸附及脫附實驗
‧結論

【內文精選】
前言
PU(Polyurethane)材料是指由聚醚多元醇(Polyether Polyol)或聚酯多元醇(Polyester Polyol)與二異氰酸酯(Diisocyanate)在適當的反應條件下合成的高分子材料。期刊文獻上有關PU材料在電化學方面應用的資料並不多，本文則報告一種使用PU彈性體當做活性碳電極(Active Carbon Electrode)的黏結劑之新應用，並評估此電極用於電容脫鹽(Capacitive Deionization; CDI)（或稱電容去離子）之可行性。此PU彈性體是一種以PTMEG與GMS量身設計(Tailor Designed)製備之高撓性疏水PU彈性體黏結劑(Polyurethane Elastomer Binder)。國內外學術期刊文獻上，未曾有以PU材料作為活性碳電極黏結劑而應用於電容脫鹽技術上的研究論文，本文是有關這方面的第一篇研究報告。

有別於一般高耗能的逆滲透(Reverse Osmosis; RO)水脫鹽技術，電容脫鹽技術是一種低耗電的水脫鹽技術，可應用於中低濃度離子濃度鹽水（如苦鹹水）的脫鹽。電容脫鹽的操作原理為施予一外在電荷於兩側碳電極上，當含有離子的水通過時，離子會受到兩側各自相反電荷吸引而分離，而達到脫鹽的目的，如圖一(a)所示。工研院材化所在電容脫鹽技術的研究發展有許多年，已開發出小型用於家用淨水之CDI裝置，如圖一(b)。

圖一、(a)電容去離子技術電吸附原理；(b)小型用於家用淨水之CDI裝置

碳電極主要由碳材、黏結劑、導電材與集電板製備而成。許多碳材可應用於碳電極的製備，包括活性碳、碳凝膠(Carbon Aerogel)、奈米碳管(Carbon Nanotube)與石墨烯(Graphene)等。其中，以低成本、可量產與穩定性佳的活性碳材料應用研究最為廣泛，本研究報告也以活性碳電極為主。

實驗部分
1. 疏水性PU彈性體的製備
首先合成PU預聚物。PU預聚物是由不同NCO/OH莫耳比製備而成，聚四氫呋喃多元醇(Polytetramethylene Glycol; PTMEG)及單硬脂酸甘油酯二醇(Glyceryl Monostearate; GMS) Diol添加量的莫耳比固定為1:3，多元醇及異氰酸酯添加量的莫耳比介於1:6~1:13.5。將上述原料及NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)溶劑秤入反應器中，密封後通入Ar氣體在溫度70˚C下加熱溶解成均一溶液。將混合液降溫至50˚C後加入TDI(2,4-tolylene Diisocyanate)進行反應，溫度控制70˚C，直至反應完成，如圖二所示。

結果與討論
4. 電極之電吸附及脫附實驗
圖五為PU與PVDF電極之電吸/脫附實驗結果，測試條件為NaCl進水溶液100 mg/L，操作電壓為1.2 V。研究結果顯示，在多次的電吸/脫附循環下，與PVDF電極相較，PU電極之離子吸/脫附可逆性與穩定性較佳。另外，PU電極與PVDF電極之脫鹽量分別為7.71 ± 0.41 mg/g與7.04 ± 1.24 mg/g，顯示PU電極在電容表現與脫鹽量均可與PVDF電極相比擬…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

圖五、(a)PVDF電極；(b)PU電極之多次電吸/脫附實驗