[发明专利]一种MOF衍生多孔碳/石墨烯复合电极材料的制备及应用

说明书

本发明公开了一种MOF衍生多孔碳/石墨烯复合电极材料的制备及应用。所述制备方法为：(1)取一干净容器，加入石墨烯或氧化石墨烯分散液，然后向其中加入MOFs晶体粉末，密封容器后置于旋涡混合器上持续混合，从零到最高转速反复调节转速，使样品在垂直方向也充分震荡，促使石墨烯片或氧化石墨烯片自组装三维结构的形成以及MOFs晶体在三维框架结构中的充分均匀分散，最后经冷冻干燥获得石墨烯/MOF多孔气凝胶；(2)将气凝胶在N₂氛中高温焙烧得到碳化产品；(3)将碳化产品进行酸处理得到MOF衍生多孔碳/石墨烯复合电极材料。本发明提供了MOF衍生多孔碳/石墨烯复合电极材料在CDI或MCDI脱盐中的应用，具有良好的效果。

技术领域

本发明涉及一种金属有机框架(MOF)衍生多孔碳/石墨烯复合电极材料的制备及其在电容去离子脱盐和电容析去离子脱盐中的应用。

背景技术

电容去离子技术(CDI)作为一种新型的脱盐技术，有着高效率、低能耗、环境友好等优点。CDI过程是将电场施加到两个平行相对的多孔吸附电极上，当盐水流经时，阴阳离子在电场的作用下分别向正负极移动，并吸附在电极表面，形成双电子层(EDL)的过程。当电极达到饱和时，将电极短路或者施加反向电压，使得离子从电极脱附回到溶液。CDI性能依赖自身的物理性质和内部结构。传统CDI材料有石墨烯、碳纳米管、活性炭、碳纳米纤维、介孔碳和碳气凝胶等。这些高导电性、高比表面积、良好的水浸润性和具有较窄的孔径分布(介孔)的材料在CDI的早期工作中得到广泛研究，但是较高的制备成本和较低的吸附量制约了这些材料在CDI领域的进一步发展。

金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks，MOF)是有机配体与金属离子通过自组装形成的具有周期性网络结构的一种晶态材料。MOF材料具有较高的比表面积、多样的配体和金属中心、可控的介孔尺寸和功能结构等特点，因此在气体分离和储存、催化、药物传递、传感等领域起到了重要的作用。当MOF材料作为前驱体，经高温下碳化处理，得到金属/金属氧化物掺杂的多孔碳材料，再经酸处理，得到的多孔碳材料仍旧能够保持高的比表面积以及具有丰富的介孔结构。MOF如ZIF-8衍生多孔碳材料表现出良好的CDI性能，但是MOF材料高温下较低的石墨化程度和自身团聚问题，这限制了MOF衍生多孔碳材料在CDI中进一步的提高。

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以SP²杂化轨道组成的六角蜂巢型单层平面材料。2004年，Geim等分离石墨得到单层石墨烯。石墨烯因其具有高的比表面积(2600m²g^-1)、突出的导热性能和力学性能以及电导率(7200S m^-1)，从而被广泛应用于纳米复合材料制备、电子器件、储能、生物传感、水处理等领域。氧化石墨烯是石墨烯的另一种在溶液分散的形式。氧化石墨烯表面有大量的羟基、羧基、环氧官能团，这些官能团使得进一步改性变得容易，同时也便于石墨烯在与其它材料复合来制备新型的材料。

在CDI领域，高比表面积以及丰富的介孔结构的特点使得MOF衍生多孔碳成为近年来备受关注的热点。但是自身团聚和较差的导电性限制了其进一步的发展。而石墨烯具有高的导电性和比表面积，是解决MOF衍生多孔碳自身团聚和导电性的理想材料。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供了一种操作简单、合成条件温和和易于量产的MOF衍生多孔碳/石墨烯复合电极材料的制备方法，该制备方法能有效阻止MOF自身团聚和石墨烯片片之间的团聚，使复合材料具有高比表面积、高导电性和丰富的介孔结构。

本发明的第二个目的在于提供所述MOF衍生多孔碳/石墨烯复合电极材料在电容去离子(CDI)脱盐中的应用，表现出良好的性能。

本发明的第三个目的是提供所述MOF衍生多孔碳/石墨烯复合电极材料在电容析去离子(MCDI)脱盐中的应用，表现出良好的性能。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：