[发明专利]碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法，本发明制备的碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极低成本、可批量生产，具有高效、低能耗的脱盐性能。属电脱盐电极制造工艺技术领域。

背景技术

电容型脱盐法是一种基于双电层电容原理的全新脱盐技术，在外接电压（1-2V）作用下，溶液中可溶性的盐离子向荷电相反的电极移动并吸附在电极上，从而达到淡化盐水的目的；当电极上吸附了足够多的离子时，将电极短路或反接，吸附在电极上的盐离子自行脱落，电极得以再生。该方法能耗低、脱盐效率高，对环境友好，可回收利用，为低成本脱盐提供了新的途径。可应用于海水和苦咸水的淡化、以及工、农业生产和生活用水的软化等方面， 其发展空间和应用前景广阔。目前，活性炭与碳气凝胶等常见的电极材料，具有较高的表面积，但是其中的微孔部分不能贡献脱盐性能，另外其导电性较差，极大地限制了其高效脱盐 (Lim J.A., Parka N.S., Parkb J.S., Choi J.H. Fabrication and characterization of a porous carbon electrode for desalination of brackish water，Desalination, 238 (2009)37-42.)。

石墨烯是一种二维蜂窝状结构的碳材料，是构成石墨的基本单元，具有良好的导电性、高化学稳定性、较宽的电化学窗口，及较高的比表面积。石墨烯的理论比表面积很大，但是由于片层之间较强的范德华力，易发生层与层之间的叠层以及团聚等现象，使得石墨烯比表面积大大降低，因而降低了脱盐性能。Pan等人（Li H.B., Zou L.D., Lu T., Zhan Y.K., Nie C.Y., Sun Z., A comparative study on electrosorptive behavior of carbon nanotubes and graphene for capacitive deionization，Journal of Electroanalytical Chemistry, 653 (2011) 40–44.）比较了纳米碳管和石墨烯在脱盐性能，其制备的石墨烯团聚严重，比表面积只有77 m²/g，脱盐性能较碳纳米管差。Zou等人（Li H.B, Zou L.D., Pan L.K., Sun Z., Novel Graphene-Like Electrodes for Capacitive Deionization, Environmental Science & Technology, 44 (2010) 8692–8697.）制备了石墨烯脱盐电极较活性炭有较高的脱盐性能，但也存在团聚比较严重，比表面积也只有222 m²/g。  

碳纳米管具有特殊的管状结构和良好的导电性。但碳纳米管易于形成管束状结构极大降低性能。碳纳米管引入到石墨烯层间，使得石墨烯层与层之间相互分离开，防止石墨烯团聚，以达到提高石墨烯比表面积的目的。碳纳米管嵌入中间可以起到桥联作用将彼此分离的石墨烯连接起来，形成三维导电网络结构，同时可以引入更多纳米孔道，有利于离子扩散，可以大大提高脱盐性能。但是目前，碳纳米管/石墨烯三维纳米结构电容型脱盐电极材料的制备主要局限于液相超声混合后辅助于还原处理得到电极材料，这种方法制备的电极材料碳纳米管是无序插入石墨烯片层，不能有效的将石墨烯分离开来，比表面积提高较小，且无法提供有序规则离子扩散通道，不能很好的实现碳纳米管和石墨烯在结构和性能上的有机互补。本专利采用化学气相沉积法可以使纳米碳管有序生长在石墨烯片层中间，起到支柱作用将团聚的石墨烯撑开、剥离，形成的三明治结构，可以极大地提高碳纳米管/石墨烯复合电极的脱盐性能。本发明方法具有成本低、过程简单、易于操作、可批量生产等优点。

发明内容

本发明的目的是克服单纯石墨烯及简单液相超声混合制备的碳纳米管/石墨烯纳米复合电极的缺点，将石墨烯和碳纳米管两种碳材料的优点结合起来，碳纳米管有序柱状生长在石墨烯中间可以极大地提高电极材料的比表面积和导电性，同时可以引入更多纳米孔道，有利于离子扩散，可以大大提高脱盐性能。提供一种高性能的电容型脱盐电极及其制备方法，该电极可以用于可应用于海水和苦碱水的淡化，工、农业生产和生活用水(地下水)的软化。