[发明专利]氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合电极材料制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合电极材料制备方法及应用。该方法基于法拉第电容及双电层电容储存电荷的原理。在电容去离子装置中，在一定电压的情况下，一极以氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物电极为法拉第电容吸附钠离子，另一极以活性炭为双电层电容吸附氯离子，从而去除氯化钠，达到脱盐的目的。通过控制施加电压的大小及调整正负极即可实现材料对氯离子和钠离子的循环吸附与脱附，操作简单，无二次污染，且无需其他化学物质辅助。氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料与活性炭电极组成的杂化电容去离子装置对氯化钠的吸附容量可达到175.94mg·g^‑1，且具有较低能耗为0.35kWh·kg‑NaCl^‑1，是一种极具前景的脱盐方法。

技术领域

本发明属于高能源电化学技术领域，涉及一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合电极材料的制备及其在杂化电容去离子技术中的应用。

背景技术

随着世界人口剧增、环境污染等问题逐渐加剧，人类面临着严峻的饮用水安全危机。此外，我国也面临着越来越严重的水资源匮乏问题。根据相关数据表明，我国人均淡水拥有量仅为2200立方米，名列世界121位，不足世界人均水资源的三分之一，属于全球人均水资源最匮乏的13个国家之一。然而我国的用水量长期维持着较高的水平，再加上水污染使苦咸水占比增大，导致了我国严峻的水资源短缺的问题。

针对饮用水资源短缺的问题，目前最常用的方法是将不可直接引用的苦咸水或海水进行净化，从而缓解淡水资源紧缺的危机。

传统电容去离子技术是在多孔碳基电极两端加外部电压，使阴阳离子在静电场的作用下向带相反电性的电极移动，从而被吸附在电极上，通过短路或反接电源进行水资源再生利用。但是，传统的碳基电极往往存在长时间循环易发生电极氧化，吸附容量受到材料比表面积的影响，存在共离子效率的问题影响电荷效率等问题，因此亟需出现新型的电极材料来进行脱盐过程。

发明内容

本发明的目的在于，在传统电容去离子技术的基础上克服该技术及电极材料自身的不足，提供一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的制备方法及其在杂化电容去离子技术中的应用。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

首先制备一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料，该电极材料在电压的作用下通过法拉第反应进行脱钠嵌钠，相较传统的碳电极受电极影响较小；其次杂化电容去离子技术中的应用相较传统电容去离子技术有更高的吸附容量，即在多孔电极两端加外部电压，使阴阳离子在静电场的作用下向带相反电性的电极移动，从而被吸附在电极上，通过反接电源进行再生利用。相较传统的碳电极，碳包覆的磷酸钒钠体系通过发生法拉第反应，进行嵌钠脱钠，其具有良好的电化学窗口，较大的比电容以及良好的稳定性，从而在电容去离子领域具有良好的应用前景。

一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将磷酸二氢铵、钒酸铵、碳酸钠、氟化钠以摩尔比为2:2:1:1的比例溶解到4gL^-1的氧化石墨烯溶液中形成稳定的溶液A；

(2)在搅拌的条件下向A溶液中逐滴加入40mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂得到溶液B；

(3)用硝酸溶液将溶液B的pH调至7左右；

(4)将溶液B移至水热釜并在180摄氏度的条件下加热10小时，得到的产物用去离子水和乙醇洗净，然后在真空干燥箱中烘干，得到最终产物氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料。

进一步，步骤(1)所述磷酸二氢铵、钒酸铵、碳酸钠、氟化钠的质量分别为0.46g，0.468g，0.212g，0.084g。

进一步，步骤(3)所述的硝酸溶液浓度为1mol L^-1。

进一步，步骤(4)所得氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合材料的颗粒尺寸在纳米级。