本发明专利技术公开了一种二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极、制备及其在电吸附脱盐上的应用。其制备方法包括以下两个步骤：（1）二氨基苯功能化石墨烯制备；（2）将活性炭与二氨基苯功能化石墨烯及粘结剂混合均匀，在模具中成型后，制备不同比表面积和吸附容量的复合电极。用此复合电极作为电吸附装置的正负极，可用于对二级生化出水脱盐等领域，其脱盐效率显著优于单纯碳电极。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极、制备及其在电吸附脱盐上的应用，属于电容去离子领域。
技术介绍
目前水资源短缺已经成为全球的严重问题，用海水淡化可以缓解水资源短缺的现状。对比传统的技术如反渗透法、电渗析法和旋转蒸发法，由于脱盐效率高、低能耗、无二次污染、成本低、环境友好等优点，电容去离子(Capacitive deionization,CDI，又称电吸附)法已经成为潜在的脱盐方法。脱盐的过程是运用电荷吸引，将离子吸附在电极表面。当外接电源被连接，带有相反电荷的离子会被吸引到电极表面，形成双电层。当移除电源，离子解析，重新回到溶液中，而不产生二次污染。基于双电层原理，CDI的吸附容量与电极的导电率和表面性质有密切的关系。近些年，具有不同比表面积和孔结构的活性炭已经被广泛报道，其中包括活性炭、碳气凝胶、碳纳米管和一些复合活性炭。尽管活性炭被广泛应用，但是由于其多为微孔(＜2nm)不利于离子的吸附与脱附。为了解决这个问题，科学工作者开发了具有片层结构的石墨烯作为电极材料。石墨烯具有二维结构，同时具有大的比表面积、良好的导电性、好的机械性能和化学稳定性等优点。特殊的结果和电学性能，使得石墨烯及其复合材料成为能量存储与吸附的优良材料。近些年有一些研究组开展关于石墨烯吸附脱盐的工作，如：华东理工大学的李海波(Environ.Sci.Technol.,2010,44,8692-8697)，上海大学的Zhang等人(J.Mater.Chem.,2012,22,14696-14704)通过对比不同比例的石墨烯电极性能，优化材料性能，开发出具有电吸附脱盐性能的石墨烯电极。由于单纯的石墨烯具有相对低的电吸附容量，不能充分发挥其优势。更多的工作集中在复合材料的开发，但很少有报道将石墨烯功能化后作为吸附电极。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有高去除率复合电吸附电极及其制备方法，其具有高的吸附容量和脱附效率。本专利技术的另一目的在于提供上述复合电吸附电极的应用。实现本专利技术的技术解决方案是：一种二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极，以二氨基苯功能化石墨烯作为导电添加剂，利用粘结剂将二氨基苯功能化石墨烯与活性炭均匀共混构建复合材料，经过压膜成型，将该复合材料固定在电极片上，真空烘干后即获得所述的复合电极。上述复合电极中，粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和聚乙二醇等的一种或几种的混合物。上述复合电极中，电极片为铝、镍、钛、铜或不锈钢材质，其形态为网、箔膜和海绵体中的一种。上述复合电极中，二氨基苯功能化石墨烯结构如下：上述复合电极中，以质量比计，活性炭：二氨基苯功能化石墨烯：粘结剂＝(99:1:50)～(19:1:20)。二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极的制备方法，其步骤如下：(a)超声下，制备氧化石墨烯的DMF悬浮液，将该悬浮液与二氨基苯(PA)的DMF溶液混合，加热到70～100℃搅拌反应，减压过滤、洗涤、干燥后即得到二氨基苯功能化石墨烯，其中，氧化石墨和DMF溶剂的比为7.5～15mg/mL，氧化石墨烯与二氨基苯的质量比例为1:10～10:1；(b)将二氨基苯功能化石墨烯研磨后，与活性炭共混，配制具有不同比例的二氨基
苯功能化石墨烯与活性炭的复合物，并将其溶于有机溶剂中，混合均匀，其中，活性炭与二氨基苯功能化石墨烯的质量比为(99:1)～(19:1)；(c)将粘结剂溶于有机溶剂中，混合均匀，其中，二氨基苯功能化石墨烯与粘结剂的质量比为(1:50)～(1:20)；(d)将(b)与(c)混合均匀，研磨后超声6-8小时；(e)将制备好的复合材料均匀涂到电极上，压制成型，并在60～80℃下真空烘干16～24h，即可得到活性炭复合电极。步骤(a)中，超声时间为2～10h；二氨基苯为对苯二胺、间苯二胺和邻苯二胺中的任意一种；二氨基苯与DMF溶剂的比为1:10～1:500g/mL；二氨基苯的DMF溶液的温度范围为25～80℃；搅拌反应时间为5～24h。步骤(b)中，二氨基苯功能化石墨烯与活性炭总质量与有机溶剂的质量比为(1:1～2:1)，有机溶剂为甲醇或乙醇。步骤(c)中，粘结剂与有机溶剂的质量比为(10:8～2:6)，有机溶剂为甲醇或乙醇。上述二氨基苯功能化石墨烯掺杂的二元活性炭复合电极在电吸附脱盐中的应用。所去除的离子包括Na+、Mg2+、Ca2+、F-、NO3-、NO2-、HCO3-、SO42-和PO43-等，吸附时间为20～150分钟，脱附时间为20～150分钟，通电电压为1.0～2.0V。与现有技术相比，本专利技术的优点是：本专利技术利用二氨基苯功能化石墨烯的导电性强和比表面积大等特点，制备二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极。利用该方法制备的电极，具有一下特点：1.大的比表面积；2.良好的导电性能；3.高吸附容量；4.较高的吸附效率；5.较好的脱附性能。这些特点使该复合材料在城市污水及市政废水处理等领域广泛应用。附图说明图1为本专利技术实施例1中的二氨基苯功能化石墨烯SEM图。图2是本专利技术实施例1中合成的功能化石墨烯纳米材料的红外光谱图。图3为本专利技术实施例2中合成的功能化石墨烯纳米材料的红外光谱图。图4为本专利技术实施例6中复合电极的交流阻抗结果。图5为本专利技术实施例7的复合电极和单纯活性炭电极对NaCl的吸附情况对比。具体实施方式实施例1-3：二氨基苯功能化石墨烯的制备：实施例1第一步，氧化石墨固体的制备；在80℃，用30mL浓硫酸、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷将20g天然石墨预氧化后，水洗至pH＝7，常温干燥过夜待用；将460mL浓硫酸冷却到0℃左右，然后将20g预氧化的石墨加入到其中，慢慢加入60g高锰酸钾，使得体系温度不超过20℃，添加完毕后升温到35℃，搅拌2h以后，并分批慢慢加入920mL去离子水，使得体系温度不超过98℃，再搅拌15分钟以后，加入2.8L去离子水和50mL 30％双氧水。将得到的亮黄色悬浮液减压抽滤，洗涤。一直到滤液中没有硫酸根离子，且呈中性时，将产物在60℃真空中烘干，得到氧化石墨固体；第二步，将50mg氧化石墨粉末装入圆底烧瓶，再加入15mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂，超声5h后，得到氧化石墨烯(GO)的悬浮液；第三步，取0.1g对苯二胺在室温下溶解于5mL DMF中，制备对苯二胺的DMF溶液；第四步，将第三步中的对苯二胺溶液缓慢滴加到第二步中制备的GO悬浮液，加热到85℃，剧烈搅拌8h；第五步，将第四步得到的粗产物经抽滤，洗涤，干燥后，即得产物。功能化石墨烯纳米材料在溶剂中的红外光谱如图2所示，证明该纳米杂化材料已成功合成。功能化石墨烯纳米材料照片如图1的SEM所示。实施例2第一至第二步，同实施例1中步骤一至二。第三步，取0.1g间苯二胺在室温下溶解于5mL DMF中，制备间苯二胺的DMF溶液；第四步，将第三步中的间苯二胺溶液缓慢滴加到第二步中制备的GO悬浮液，加热到85℃，剧烈搅拌8h；第五步，同实施例1中步骤五。功能化石墨烯纳米材料在溶剂中的红外光谱如图3所示，证明该纳米杂化材料已成功合成。实施例3第一至第二步，同实施例1中步骤一至二。第三步，取0.1g邻苯二胺在室温下溶解于5mL DMF中，制备邻苯二胺的DMF溶液；第四步，将本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极，其特征在于，以二氨基苯功能化石墨烯作为导电添加剂，利用粘结剂将二氨基苯功能化石墨烯与活性炭均匀共混构建复合材料，经过压膜成型，将该复合材料固定在电极片上，真空烘干后即获得所述的复合电极。
【技术特征摘要】
1.一种二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极，其特征在于，以二氨基苯功能化石墨烯作为导电添加剂，利用粘结剂将二氨基苯功能化石墨烯与活性炭均匀共混构建复合材料，经过压膜成型，将该复合材料固定在电极片上，真空烘干后即获得所述的复合电极。2.如权利要求1所述的二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极，其特征在于，粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和聚乙二醇中的一种或几种的混合。3.如权利要求1所述的二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极，其特征在于，电极片材质为铝、镍、钛、铜或不锈钢材质，其形状为网、箔膜和海绵体中的一种。4.如权利要求1所述的二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极，其特征在于，二氨基苯功能化石墨烯结构如下： 。5.如权利要求1所述的二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极，其特征在于，以质量比计，活性炭：二氨基苯功能化石墨烯：粘结剂=（99:1:50）~ (19:1:20)。6.一种二氨基苯功能化石墨烯掺杂的活性炭复合电极的制备方法，其特征在于，其步骤如下：(a) 超声下，制备氧化石墨烯的DMF悬浮液，将该悬浮液与二氨基苯的DMF溶液混合，加热到70~100 ℃搅拌反应，减压过滤、洗涤、干燥后即得到二氨基苯功能化石墨烯，氧化石墨烯与二氨基苯的质量比例为1:10~10:1；(b) 将二氨基苯功能化石墨烯研磨后，与活性炭共混，配制具有不同比例的二氨基苯功能化石墨烯与活性炭的复合物，并将其溶于有机溶剂中，混合均匀，其中，活性炭与二氨基苯功能化石墨烯的质量比为（99:1）...
【专利技术属性】
技术研发人员：李爱民，宋海欧，王柏俊，王长明，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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