[发明专利]一种含有带电荷导电纳米颗粒的多孔碳复合电极及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于复合电极及其制备和应用领域，特别涉及一种含有带电荷导电纳米颗粒的多孔碳复合电极及其制备和应用。

背景技术

超电容脱盐装置通常由正、负电极对组成，溶液中的正、负离子在电场的作用下分别吸附到负、正电极上，实现水的淡化。电极材料是决定电容器脱盐效率高低的关键，良好的电极材料要具备高比表面积、高导电性能及良好的吸脱附稳定性。

超电容脱盐装置一般选用多孔活性炭碳作为电极材料，多孔活性碳材料比表面积大、孔隙丰富，但活性炭本身存在导电性差的问题，因此改善电极材料导电性、降低电极电阻的多孔碳复合材料近年来受到人们的日益关注。添加石墨烯或碳纳米管可以在一定程度上改善电极的导电性(Carbon，2012，50，2315-2321)。公开号CN 101615512A的中国专利公开了一种电极组件的制备方法，即在电极内部填充高分子聚电解质，从而有效提高离子的传输，降低电容器的内阻。但制备过程操作繁琐，电极组件结构复杂，填充剂由于具有水溶性，长期稳定性较差。添加半导体金属氧化物可以改善溶液的导电性，但以往的电容器主要是采用对称性电极，即相对的两片电极添加相同的金属氧化物(Desalination 2011，276，199–206)，没有考虑氧化物荷电性对反离子吸附的影响。

在充电脱盐的过程中，由于在离子吸附的同时，反离子(或对离子)也会在电极附近或空隙间存在。这种共存离子的存在，大大降低了脱盐效率，反映的是电流效率的降低。电流效率，也称电荷效率，指用于盐脱除所消耗电荷量与电容器所充的电荷量的比值。除了电极电阻外，电流效率也是影响电容器脱盐性能的关键指标。通过设计离子交换膜，降低反离子吸附，其电流效率就会有较大提高(J Colloid Interface Sci 2011，360，239-248)。公开号CN 101563296A的中国专利公开了一种电极组件的制备方法，该电极组件由多孔材料电极及与电极带有相同电荷的离子交换膜组成，离子交换膜有效阻隔了充放电过程中反离子迁移。但这些离子交换材料为不导电膜，不能较好改善电极的导电性能。传统的方法都具有一定限制，如操作复杂，结构不稳定，不能降低电极内阻等。所以，需要提供一种能降低电容器内阻，提高离子选择性和电流效率的电极制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种含有带电荷导电纳米颗粒的多孔碳复合电极及其制备和应用，该方法制备的多孔碳复合电极中加入具有荷电特性的导电无机纳米颗粒添料，能够减小电极的电阻，提高电极对离子吸附的选择性和电流效率。

(1)本发明的一种多孔碳复合电极，包括：

多孔碳和导电颗粒添料，其中导电颗粒占电极材料总重量的10％～50％，导电颗粒的粒径为0.01～10微米。

所述多孔碳材料为活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳布、有序介孔碳中的一种或几种。

所述多孔碳材料中含有粘结剂。

所述粘结剂为聚四氟乙烯PTFE、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚乙烯等以及它们的共聚物。

所述导电颗粒为石墨烯、碳纳米管、半导体无机氧化物中的一种或几种。

所述导电颗粒为表面等电点大于6的金属氧化物，如氧化铁、氧化锆、氧化钒、氧化钛中的一种或几种；及表面修饰有阳离子基团的半导体金属氧化物、石墨烯、碳纳米管的一种或几种混合，所述电极吸附溶液中负离子。

所述阳离子基团为伯胺基、仲胺基、叔胺基、季胺基中的一种或几种。

所述导电颗粒为表面等电点小于6的金属氧化物如氧化锌、氧化锰、氧化钨、氧化硅、氧化锡中的一种或几种，及表面修饰有阴离子基团的半导体金属氧化物、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种混合，所述电极吸附溶液中的阳离子。

所述阴离子基团为磺酸基、硼酸基、羧酸基、磷酸基中一种或几种。

(2)一种多孔碳复合电极的制备方法，包括：

将多孔碳材料与粘结剂机械搅拌，打浆形成浆液，然后将带正(负)电荷的导电颗粒和浆液混匀，得到混合物，再将混合物涂布或辊压于基底上，晾干，用作吸附负(正)离子的电极，多孔碳复合电极；

或将多孔碳材料和粘结剂机械搅拌，打浆形成浆液，然后将浆液涂布或辊压于基底上，模塑形成多孔碳电极，将带正(负)电荷的导电颗粒分散于乙醇或水中，制备分散液，涂布或旋喷于多孔碳电极表面，晾干，用作吸附负(正)离子的电极。

(3)本发明的一种多孔碳复合电极应用于电容器脱盐装置，所述电容器脱盐装置包括：

第一电极和第二电极；