[发明专利]三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极的制备方法。本发明制备的脱盐电极具有高效率、低能耗的脱盐性能。属电脱盐电极制造工艺技术领域本发明可应用于海水和苦咸水的淡化，为低能耗、低成本、高性能脱盐提供了新途径。

背景技术

水资源危机是本世纪全球面临的最大资源危机之一，海水与苦咸水脱盐淡化是解决该危机的重要途径。现有脱盐方法主要有蒸馏法（包括多级闪蒸、多级蒸发和压气蒸馏）和膜法（包括反渗透和电渗析）。但是蒸馏法操作温度高、锅垢危害严重、腐蚀严重；膜法对膜性能要求严格、膜损坏率高且费用昂贵。另外，这些脱盐方法均存在能耗高、成本大的缺点。所以采用新技术降低淡化成本一直是海水淡化技术最重要的发展目标。因此，研发能耗低、成本低的脱盐技术应用前景十分光明。电容型脱盐（Capacitive Deionization；CDI）是基于双电层电容原理的全新脱盐技术。与传统的脱盐方法相比，该方法具有成本低、脱盐效率高、工艺设备简单、易于实施、同时没有二次污染、对环境友好的优点，为高效率、低能、低成本脱盐技术提供了新的途径。 

基于CDI的原理可以看出，具有比表面积大、空隙发达、导电性好的电极材料成为获得高CDI性能的关键。碳材料由于具有高的比表面积、良好的导电能力、独特的化学稳定性、原料来源丰富、生产工艺也比较成熟等优点在电极材料方面有非常广泛的应用。迄今为止，用作CDI电极的多孔碳材料主要包括活性炭、炭气凝胶、碳纳米纤维、介孔碳以及石墨烯。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，作为一种新兴的二维蜂窝状结构的碳材料，具有良好的导电性（7200 S/m）、高化学稳定性、及较大的理论比表面积(2600 m2/g)。石墨烯自被发现以来，在理论研究和实际应用方面已经展现出无穷魅力，吸引了国内外的众多学者对其进行研究。目前已有大量研究发现将石墨烯用作电极材料时其具有优异的电化学性能。尽管石墨烯具有很大的理论比表面积，常用的热还原或者化学方法制备的石墨烯由于片与片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，使得制备的石墨烯比表面积较理论值大大降低，因而将其用作电极材料时明显降低了其脱盐性能。Dreyer等人（Dreyer, D. R.; Murali, S.; Zhu, Y.; Ruoff, R. S.; Bielawski, C. W., Reduction of graphite oxide using alcohols. J Mater Chem 2011, 21 (10), 3443）以醇类作为还原剂还原氧化石墨制备了石墨烯，但是其比表面积仅为10~40 m²/g，这是因为在还原过程中，存在π-π键的恢复导致石墨烯产生大量的团聚。Pan等人（Li, H. B, Zou L.D. Lu T. A comparative study on electrosorptive behavior of carbon nanotubes and graphene for capacitive deionization. Journal of Electroanalytical Chemistry 653 (2011) 40–44）通过水合肼还原制备了石墨烯脱盐电极，其石墨烯团聚严重，比表面积只有77 m²/g，用作电极材料时脱盐性能较差。因此为了降低石墨烯在制备过程中的团聚，提高其比表面积，目前对于多孔石墨烯的制备以及基于石墨烯的复合材料逐渐成为国内外的研究热点。为了解决上述问题，本发明制备新型的更高表面积、高导电性的、空隙发达的、表面利用率较高的三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极材料，为高性能、高效率、低能耗的脱盐提供了新途径。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种应用双电层电容型脱盐法进行海水淡化处理的三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极的制备方法。

将具有高表面积，高导电性的大孔，介孔有效结合的分级孔碳材料插入到石墨烯层间形成了一种三维导电结构，使得石墨烯的层与层之间相互分离，有效的防止了石墨烯的团聚；同时分级孔结构的引入不仅使得石墨烯的比表面积明显增大，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。将高比表面积，良好导电性，发达孔结构的分级多孔碳引入石墨烯层间制备一种新型的三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极，具有更高的比表面积、良好的导电性和更好的脱盐性能。

    本发明的目的是通过以下技术手段和措施来达到的。