[发明专利]核壳结构分级多孔碳材料电容型脱盐电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种核壳结构分级多孔碳材料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

淡水资源短缺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技术作为有效解决该危机的重要途径，已引起社会广泛关注。现有的脱盐方法主要有蒸馏法和膜法。蒸馏法操作温度高，能耗较大，锅垢危害及腐蚀严重；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的缺点，即便是耗能最低的反渗透膜法，其能耗也是理论值的十倍左右。因此，研发能耗低、成本低的脱盐技术是时代的需求。电容型脱盐是一种基于双电层电容远离的全新脱盐技术。该方法能耗低、脱盐效率高，对环境友好。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。

基于电容型脱盐的原理具有比表面积大、空隙发达、导电性好的电极材料成为获得高电容型脱盐性能的关键。多孔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、孔结构易控制和导电性好等特点，一直是电容型脱盐装置电极材料的首选。多孔碳材料的制备方法包括催化活化法、有机凝胶法、模板炭化法、炭化法和物理活化法等，其中催化活化法和有机凝胶法虽然可以在一定程度上对多孔碳中孔孔径有效，但得到的多孔碳材料不纯，制备费用昂贵。模板法虽然可以有效地控制多孔碳的结构，但其制备工艺复杂。传统的炭化和物理活化法只能得到以微孔为主的碳材料，且孔径分布较宽，孔结构复杂而难以控制。金属-有机骨架(metal-organic frameworks，MOFs)化合物具有高的比表面积、大的孔容以及可调的孔道结构，最近被证实能作为碳前躯体或模板来制备多孔碳材料（Chaikittisilp W, Hu M, Wang H, Huang H S, Fujita T, Wu K C W, Chen L C, Yamauchi Y, Ariga K, Nanoporous carbons through direct carbonization of a zeolitic imidazolate framework for supercapacitor electrodes, Chem. Commun. 2012, 48(58): 7259-7261）。这类多孔碳材料具有制备方法简单、电化学性能优异等特点。然而，为了得到高比表面积的多孔碳材料，额外的碳源常常需要通过不同的方式注入到MOFs孔中，这样得到的多孔碳主要由微孔组成，比表面积利用率不高，不利于电容器脱盐。另外，对于电容型脱盐技术而言，除了电极材料的高比表面积、高有序结构，电极材料的导电性也非常关键。有大量研究发现在多孔碳材料中引入杂原子，如硼、氮、磷或氧等元素可以显著地改善其机械、导电或电化学性能(Iyyamperumal E, Wang S Y, Dai L M, Vertically Aligned BCN Nanotubes with High Capacitance, ACS Nano 2012, 6(6): 5259-5265)。特别是氮掺杂多孔炭具有高的比表面积、丰富的孔隙结构和大量的表面含氮官能团，而赋予该材料独特的机械、电子、光学、半导体、储能等性质，使其广泛应用于超级电容器的电极材料，吸附剂、储氢和催化等领域。

沸石咪唑酯骨架材料(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)是由过渡金属和咪唑配位基形成类似于沸石结构的三维四面体框架。ZIFs的高热稳定性和化学稳定性以及咪唑配位基中富含的氮源，使其成为制备性能优异的氮掺杂多孔碳的理想前驱体。但是需要指出的是当前制备的单独一种ZIF-基多孔碳材料引入氮原子对于碳材料的表面性能提高的同时，材料的石墨化程度有所下降(Ma S Q, Goenaga G A, Call A V, Liu D J, Cobalt Imidazolate Framework as Precursor for Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts, Chem. Eur. J. 2011, 17(7): 2063-2067)。