一种活性炭电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种活性炭电极及其制备方法和应用，按照重量份的原料由20目‑300目数的活性炭30份‑90份、导电剂5份‑40份、粘土5份‑50份、可碳化有机粘结剂5份‑80份和去离子水5份‑30份组成。包括：将活性炭、导电剂与粘土混合均匀，再将可碳化有机粘结剂与去离子水加入混合均匀制备浆料；将活性物质浆料均匀涂覆在电极基材上，置于60℃‑160℃下干燥0.5h‑3h；将初步干燥的电极置于抽真空或者氮气保护的气氛炉中，500℃‑1000℃下煅烧0.5h‑3h，即得到涂覆好的电极板。本发明专利技术改善了活性炭电极的导电性与耐水性，在电容除盐中具有极高的实用价值；能够显著提高活性炭电极的导电性与耐水性。

【技术实现步骤摘要】
一种活性炭电极及其制备方法和应用
本专利技术属于电化学
，尤其涉及一种活性炭电极及其制备方法和应用。
技术介绍
活性炭电极的制备和应用是电容除盐中的核心技术，高效能的活性炭电极应具有大的比表面积、丰富的中介孔与高导电性等特征。活性炭电极应用于电容除盐一般要长期浸泡在盐溶液中，故还必须具有很好的耐水性能，能够保证长期使用而活性炭不从集流体上脱落。此外，由于活性炭颗粒本身具有较高的电阻，限制了其在电化学电容除盐中的应用。因此，针对电化学电容除盐应用的活性碳电极的制备，应该着力改进活性炭颗粒的涂覆和电极制备工艺，以提高活性炭电极的电导率与耐水性。目前，制备活性炭电极常用的粘结剂包括有机粘结剂和无机粘结剂。有机粘结剂有聚四氟乙烯、偏聚四氟乙烯、环氧树脂、酚醛树脂和改性淀粉等。但是，使用有机粘结剂会堵塞活性炭颗粒的微孔和中介孔，使得活性炭的孔隙利用率下降，从而降低活性炭电极的除盐效率；有机粘结剂还会使活性炭电极的内阻增大，降低电极的电能效率；尤其是，使用有机粘结剂时活性炭颗粒涂覆的量一般为毫克级别，负载量太低而远远达不到应用电极的实际使用标准。在制备浆料搅拌过程中，有机粘结剂会进入到活性炭颗粒的微孔中，进而在凝固后，微孔被堵塞导致不能被利用；绝大多数的有机粘结剂是不能够导电的，电阻很大，自然会增大电机的内阻；利用有机粘结剂粘结活性炭颗粒时，活性炭颗粒与颗粒之间的缝隙较大，少量的有机粘结剂不能使其很好的结合，而增大有机粘结剂会使活性炭颗粒的性能迅速下降，而且活性炭大颗粒很容易从表面脱落下来。无机粘结剂有钠、钾水玻璃、活性高岭土、粘土等。无机粘结剂一般具有较大电阻，会增大活性炭电极的内阻，明显降低电极的电化学活性；同时，无机粘结剂很难将活性炭颗粒与集流体基底良好的粘结；无机粘结剂不能渗入到碳纸或碳布表面，遇水后又容易分解溶于水，导致不能很好的粘结。而有机粘结剂与碳纸或碳布有很好的浸润性，耐水性也远远好于无机粘结剂，所以可以很好的粘结活性炭颗粒与集流体。而且，无机粘结剂耐水性很差，导致活性炭遇水会发生从基底上严重脱落。综上所述，目前制备活性炭电极使用的粘结剂存在导电性差和耐水性差的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种活性炭电极及其制备方法和应用，旨在解决目前制备活性炭电极使用的粘结剂存在导电性差和耐水性差的问题。本专利技术是这样实现的，一种活性炭电极，所述活性炭电极按照重量份的原料由20目-300目数的活性炭30份-90份、导电剂5份-40份、粘土5份-50份、可碳化有机粘结剂5份-80份和去离子水5份-30份组成。进一步，所述导电剂为：乙炔黑、石墨粉、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种。进一步，所述黏土为活性高岭土、硅藻土、麦饭石、多孔氧化铝中的一种或几种。进一步，所述可碳化有机粘结剂为改性淀粉、聚四氟乙烯、偏聚四氟乙烯、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或几种。本专利技术的另一目的在于提供一种所述活性炭电极的制备方法，所述活性炭电极的制备方法包括以下步骤：步骤一，将活性炭、导电剂与粘土混合均匀，再将可碳化有机粘结剂与去离子水加入混合均匀制备浆料；步骤二，将活性物质浆料均匀涂覆在电极基材上，置于60℃-160℃下干燥0.5h-3h；步骤三，将初步干燥的电极置于抽真空或者氮气保护的气氛炉中，500℃-1000℃下煅烧0.5h-3h，即得到涂覆好的电极板。进一步，所述电极基材为：碳纸或碳布。本专利技术的另一目的在于提供一种由所述活性炭电极制备的电容除盐装置。本专利技术提供的活性炭电极及其制备方法和应用，改善了活性炭电极的导电性与耐水性，制备的活性炭电极在电容除盐中具有极高的实用价值。本专利技术的活性炭电极应用于CDI除盐技术中，以500ppmTDS的入水为例，其能耗仅为RO技术的五分之一。以5年期的设备寿命来计算，一套6吨/小时处理量设备的每年运行费用约为20000美金，比同规模RO技术的运行费用低50％以上。本专利技术在保证活性炭电极具有高负载量的同时，能够显著提高活性炭电极的导电性与耐水性，制备的活性炭电极在电化学除盐中具有优良的性能；在电导率为2000μS·cm-1的氯化钠溶液，其中电容除盐的比容量可以达到14.6mg·g-1。采用混合粘结剂，经过高温碳化后的活性炭电极的导电率显著提升，增加了电流的利用率；有机粘结不能很好的粘结活性炭大颗粒，但是可以使活性炭颗粒与集流体很好的集合；活性炭颗粒之间仍然具有很好的粘结性，这也从另一方面证明了上述提到的，无机粘结剂不能很好的粘结活性炭颗粒与集流体，但可以使活性炭大颗粒之间具有良好的粘结性能。本专利技术采用无机粘结剂与有机粘结剂相互结合的方法，在保证了活性炭颗粒涂覆量的同时，使得活性炭电极具有良好的导电性，且活性炭颗粒与电极基材结合稳定，具有很好的耐水性，进一步提高了活性炭电极电化学性能，大大减少了在实际应用中的电极制造成本；填料中含有一定比例的可碳化有机粘结剂，在真空或者氮气保护下高温煅烧，不仅可以打开更多活性颗粒的中介孔，而且可以使有机粘结剂碳化。碳化后的有机粘结剂具有良好的导电性能，并且使得活性炭颗粒与电极基材紧紧结合在一起，从而使得整个电极具有良好的导电性；填料中含有一定比例的无机粘结剂，使得活性炭颗粒之间结合的不十分紧密，使得电极表面的孔隙率适当分布，从而使得盐溶液可以更好的进入电极表面，提高了活性炭颗粒的利用率，对比试验中，A、B、C三种电极活性炭的量是一样的，而A电极的除盐效果要比B、C两种电极好很多，就说明了A电极的活性炭颗粒的利用率比B、C电极的高；进一步提高了活性炭电极的电化学性能。且可以调节加入的无机粘结剂的比例，来调节活性炭电极表面的孔隙。在对比试验中的压汞数据图可以看出，A电极在45nm处的孔径分布要明显高于B、C电极，而电容除盐中发挥作用的主要是微孔，而且A电极导电率要远远好于B、C电极，电子传输速度快，导致了A电极的除盐效率优于B、C电极。100微米处的孔径分布应为活性炭颗粒之间的孔隙，可以发现A电极比B、C电极的孔隙分布均匀和合理，这更有利于液体的均匀分布，增加电子和微孔的利用率。本专利技术的方法设备简单，操作简单，所有过程都可以实现自动化，可以简化工艺，提高电极制备的时间和效率。附图说明图1是本专利技术实施例提供的活性炭电极的制备方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的实施例1和实施例2制备出的电极在2000μS·cm-1的氯化钠溶液中的除盐性能示意图。图3是本专利技术实施例提供的三种电极在0.5MNaCl溶液中，扫速为1mV/s的循环伏安示意图。图4是本专利技术实施例提供的三种电极在0.5MNaCl溶液中阻抗图示意图。图5是本专利技术实施例提供的NaCl溶液中电导率随时间变化曲线示意图。图6是本专利技术实施例提供的三种电极在氯化钠溶液中电除盐循环性能示意图。图7是本专利技术实施例提供的A、B、C电极的压汞数据图。图8是本专利技术实施例提供的A、B、C电极的Bet数据图。图9是本专利技术实施例提供的A、B、C电极分别在NaCl溶液中浸泡一个月。图10是本专利技术实施例提供的A、B、C电极表面1、2、3、4cm处的电阻大小。图11是本专利技术实施例提供的A、B、C电极弯折强度对比。图12是本专利技术实施例提供的A、B、C电极的横截面与表面SEM图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活性炭电极，其特征在于，所述活性炭电极按照重量份的原料由20目‑300目数的活性炭30份‑90份、导电剂5份‑40份、粘土5份‑50份、可碳化有机粘结剂5份‑80份和去离子水5份‑30份组成。

【技术特征摘要】
1.一种活性炭电极，其特征在于，所述活性炭电极按照重量份的原料由20目-300目数的活性炭30份-90份、导电剂5份-40份、粘土5份-50份、可碳化有机粘结剂5份-80份和去离子水5份-30份组成。2.如权利要求1所述的活性炭电极，其特征在于，所述导电剂为：乙炔黑、石墨粉、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种。3.如权利要求1所述的活性炭电极，其特征在于，所述黏土为活性高岭土、硅藻土、麦饭石、多孔氧化铝中的一种或几种。4.如权利要求1所述的活性炭电极，其特征在于，所述可碳化有机粘结剂为改性淀粉、聚四氟乙烯、偏聚四氟乙烯、环氧树脂、酚醛树脂中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：严乙铭，谢江舟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11