[发明专利]一种石墨烯密胺泡沫复合型膜电容去离子电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电容去离子技术领域，具体涉及一种石墨烯密胺泡沫复合型膜电容去离子电极及其制备方法。

背景技术

伴随着世界经济及工业的高速发展,人类面临着能源紧缺和环境污染的诸多挑战。尤其是水资源危机，已经严重影响到了很多国家的发展。而水是不可代替的自然资源和战略性资源，是社会持续发展的重要支柱之一。鉴于海水储量异常丰富，海水淡化技术发展潜力很大。如何从占世界总储水量96％的海水中获得廉价的淡水成为解决淡水短缺的重要途径之一。电容去离子(Capacitivedeionization,CDI)，是一种基于电化学双电层电容理论的电吸附脱盐技术。其基本思想是通过在多孔吸附电极两端施加静电场，在静电场的作用下溶液中电性离子会被强制向带有相反电荷的电极处移动，从而达到除去溶液中电性离子的目的。CDI技术弥补了传统脱盐技术的缺陷，使低能耗、高效率、绿色环保的脱盐技术朝工业化方向越来越近。另外，在相同的工作条件下，膜电容去离子(MCDI)的脱盐效率要高于相应的CDI器件。MCDI即在其中一块或者两块电极片表面覆盖上一层离子交换膜，使反离子无法通过，从而有效地抑制电极表面的共离子效应。研究表明，MCDI的脱盐效率比CDI提高50％左右(Water.Res.,2008,42,4923-4928)。

电极材料在CDI器件的工作过程中起到了非常重要的核心作用，它的性能关系到除盐效果的好坏。因此电容去离子技术的核心和关键是选对高性能的电极材料。通常，多孔性碳材料形式多样、性能稳定、环境友好、成本低廉、操作简单，这些特点都很符合电容去离子电极的要求。且碳材料具有高比表面积和优异的电导性，可以说是最佳电极材料。目前已开发常用的碳材料包括活性碳、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管和石墨烯等。

与传统多孔碳电极相比，石墨烯的高比表面积、高孔隙率、高电导率以及良好的热导率和机械强度等优点，使石墨烯在CDI技术中取得良好的的应用前景和广阔潜力。一般来说，石墨烯在CDI测试实验中，通常采用氧化石墨烯还原法来制备石墨烯原料。通过这种方法制得的石墨烯产量高，但是剩余的表面官能团仍比较多，最重要的是容易团聚，层数较多。Zhang等人将聚苯乙烯球(J.Mater.Chem.A,2013,1,11778-11789)、碳纳米管(J.Mater.Chem.,2012,22,14696-14704)、介孔碳(Nanoscale,2012,4,5440-5446)等多种碳材料作为“间隔物”插入石墨烯中，不仅抑制了石墨烯的团聚，更将其他碳材料的优异性质引入，使石墨烯能够充分发挥自身的高比表面和高导电率，从而获得更高的去盐效率。本发明采用密胺泡沫作为支架，有效阻止了石墨烯片的团聚。并在石墨烯材料表面覆盖了一层阴离子交换膜，使电极的润湿性大大提高。显著提高了石墨烯复合电极的脱盐能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于膜电容去离子的氮掺杂的石墨烯密胺泡沫复合型膜电容去离子电极及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种石墨烯密胺泡沫复合型膜电容去离子电极的制备方法，该制备方法是以密胺泡沫为模板吸附氧化石墨烯水溶液，然后通过高温煅烧得到氮掺杂的三维多孔石墨烯密胺泡沫复合材料，再把三维多孔石墨烯密胺泡沫复合材料涂覆在导电石墨纸集流体上，得石墨烯密胺泡沫复合型电容去离子电极，最后在石墨烯密胺泡沫复合型电容去离子电极上涂覆上戊二醛交联的季胺化聚乙烯醇聚合物作为阴离子交换膜，得石墨烯密胺泡沫复合型膜电容去离子电极。

进一步地，具体包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯加水超声分散得到均匀的氧化石墨烯水溶液，然后将不同厚度大小的密胺泡沫放入氧化石墨烯水溶液中进行吸附，并反复挤压后，拿出密胺泡沫静置，真空干燥得到氧化石墨烯密胺泡沫复合材料；进一步高温碳化得到三维多孔石墨烯密胺泡沫复合材料；可重复以上吸附步骤得到吸附不同氧化石墨烯量的氧化石墨烯密胺泡沫复合材料；

(2)将步骤(1)得到的三维多孔石墨烯密胺泡沫复合材料与乙炔黑、聚四氟乙烯研磨均匀，涂覆在导电石墨纸集流体上，彻底干燥后得到石墨烯密胺泡沫复合型电容去离子电极；

(3)将聚乙烯醇、环氧丙基三烷基氯化铵溶于氢氧化钾水溶液中，在60～70℃下反应，反应结束后用无水乙醇析出季铵化聚乙烯醇，再溶于水中加入戊二醛交联，最后得到的交联季铵化聚乙烯醇聚合物涂覆在石墨烯密胺泡沫复合型电容去离子电极表面，待聚合物膜彻底干燥得到石墨烯密胺泡沫复合型膜电容去离子电极。