一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，属于电容去离子技术领域。该不对称电容去离子器件包括两个电极，均以单一的前驱(GO)出发，其中一个电极以掺镁氧化铝包裹的石墨烯为正极电极材料，另一个电极以低温热处理的还原型氧化石墨烯为负极电极材料，正极使用的电极材料带正电荷，负极使用的电极材料带负电荷。本发明专利技术可减少吸附过程中的同离子排斥效应，降低因同离子效应产生的电损耗，而且有助于在脱附过程中通过施加一定的反向电压获得更多的离子吸附位点，进而提高电容去离子器件的脱盐性能。

Method for preparing graphene base electrode for asymmetric capacitance deionization device

The invention discloses a method for preparing a graphene base electrode for an asymmetric capacitive deionization device, belonging to the technical field of capacitive deionization. The asymmetric capacitive deionization device includes two electrodes, with single precursor (GO), one of the electrodes with graphene doped magnesium alumina coated as the positive electrode material, another electrode with reduced graphene oxide and low temperature heat treatment as negative electrode material, electrode material of anode with positive charge the use of negative electrode material, negative charge. The invention can reduce the adsorption process with ion exclusion effect, reduce the power loss caused by the same ion effect, but also help the desorption process reverse voltage applied to certain ion more adsorption sites, so as to improve the performance of capacitive deionization desalination devices.

【技术实现步骤摘要】
一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法
本专利技术属于电容去离子
，涉及一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，具体涉及掺镁氧化铝包裹的石墨烯电极用于不对称电容去离子器件的正极，低温热处理的还原型氧化石墨烯电极用于不对称电容去离子器件的负极。
技术介绍
当人类社会步入21世纪后，淡水资源短缺的问题日趋严峻，甚至影响到许多国家的发展，这主要是因为，一：人口爆炸和工业化进程加速，二、淡水资源的分布又极其不均衡。虽然淡水资源十分短缺，但是，地球上却拥有着丰富的海水及苦咸水资源。因此，对这类含盐水资源进行脱盐成为解决淡水资源匮乏的一个有效途径，一系列的脱盐技术也响应这种需求而产生。其中，电容去离子技术，因为其能耗低、无二次污染等优点备受关注。一般来说，这一技术的实施过程为：当含盐水经过一对外加电压的电极时，水中的离子会被吸附到具有相反电荷的电极上，达到除盐的效果，当吸附达到平衡后，通过短接或施加反向电压可以实现电极的再生。电容去离子器件中所用的多孔炭电极材料表面一般都带电荷，这是因为在制备过程中，炭的表面会带上羧基、羟基、氨基等基团，因此在不施加电压的情况下，一对电极也会吸附一定量的离子。当施加电场后，电极上不仅会发生与其带有相反电荷离子(反离子)的吸附作用，也会发生与其带有相同电荷离子(同离子)的脱附作用，其中，同离子的这一脱附现象被称为同离子排斥效应。研究表明，同离子排斥效应会降低电容去离子器件的能耗，还会因为发生电化学反应而降低电极材料的稳定性。另外，在电吸附过程中，通过采用表面带负电荷的材料作为负极，采用表面带正电荷的材料作为正极，即增强型电容去离子过程，这一工艺可以有效的提高电容去离子器件的脱盐效率。但受限于制备成本、工艺，以及电极材料在运行过程中的稳定性，这一技术发展缓慢，还没有实现工业化生产。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，创造性地为不对称电容去离子器件制备带电荷的石墨烯基电极，包含在充电脱盐过程中，正极使用的电极带正电荷，负极使用的电极带负电荷，使用这种带电荷的电极可以减少吸附过程中的同离子排斥效应，降低因同离子效应产生的电损耗，而且有助于在脱附过程中通过施加一定的反向电压获得更多的离子吸附位点，进而提高电容去离子器件的脱盐性能。本专利技术的技术方案如下：一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，包括正极电极材料和负极电极材料的制备，所述的正极电极材料为掺镁氧化铝包裹的石墨烯，所述的负极电极材料为还原型氧化石墨烯，包括以下步骤：(1)掺镁氧化铝包裹的石墨烯的制备配制质量分数为0.5-2.0％的氧化石墨烯水溶液A；再配制100mL0.02-2.0M仲丁醇铝的2-丁醇溶液B，再加入镁盐，其中，镁盐和仲丁醇铝的摩尔比为0.2-1:1；然后将溶液A和B混合，并在80-85℃搅拌1-2h，再加入酸溶液至pH值为3，搅拌反应0.5-2h后，停止搅拌，回流反应2-24h，真空抽滤，即得到掺镁氧化铝包裹的石墨烯；(2)还原型氧化石墨烯的制备将氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)与去离子水按质量比为2-25：75-98混合均匀，随后对进行水热处理，水热处理的水热温度120-180℃，时间2-12h，再经干燥，即得到还原型氧化石墨烯(reducedgrapheneoxide，RGO)。优选为，在步骤(2)中的水热处理之前，还包括冷干处理，冷干处理：在惰性气氛或空气中，升温速率为1-10℃/min，保温温度为120-350℃，保温时间为0.5-4h。优选为，在步骤(1)中，所述的酸溶液的酸根与镁盐的阴离子相同。优选为，步骤(1)和(2)所用的氧化石墨烯由Hummer法或其它modifiedHummer法制备。优选为，还包括将步骤(1)制得的掺镁氧化铝包裹的石墨烯和步骤(2)制得的还原型氧化石墨烯分别与导电剂、粘结剂、聚偏四氟乙烯(PVDF)混匀，得到电极浆料，然后涂敷在集流体上，烘干，即得到石墨烯基正极和负极。其中，导电剂可选导电炭黑，粘结剂可选聚偏四氟乙烯(PVDF)。优选为，电极材料和导电剂的含量在电极浆料中的质量分数≥90％。优选为，所述的集流体为防酸、防盐腐蚀的材料，如钛基和炭基材料。本专利技术还公开了上述的石墨烯基电极用作不对称电容去离子器件的电极。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：一、本专利技术的一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，以单一的前驱(GO)出发，得到能满足正负极使用且性能稳定的两种电极材料，特别是正极中由于氧化物的加入，能减少法拉第副反应的产生，从而保证电容去离子器件的稳定运行，脱盐效率始终维持在较高水平，制备工艺简单，条件温和，可重复性强，为商业化生产提供了可能；二、由本专利技术的石墨烯基电极制得的不对称电容去离子器件，正极使用的电极带正电荷，负极使用的电极带负电荷，使用这种带电荷的电极可以减少吸附过程中的同离子排斥效应，降低因同离子效应产生的电损耗，而且有助于在脱附过程中通过施加一定的反向电压获得更多的离子吸附位点，进而提高电容去离子器件的脱盐性能。三、由本专利技术的石墨烯基电极制得的不对称电容去离子器件，其脱盐量高达17.3mg/g，且循环性能稳定，10周的循环实验表明，其脱盐量并没有发生明显的变化，高效的脱盐能力和稳定的运行效果为商业化提供了保障。附图说明图1为本专利技术实施例1中水热制备的还原型氧化石墨烯的扫描电镜图；图2为本专利技术实施例2中冷干制备的还原型氧化石墨烯的扫描电镜图；图3为本专利技术实施例1中制备的掺镁氧化铝包裹的石墨烯的扫描电镜图；图4为本专利技术实施例3中制备的掺镁氧化铝包裹的石墨烯的扫描电镜图；图5为本专利技术实施例1中不对称电容去离子器件的脱盐图；图6为本专利技术实施例1中不对称电容去离子器件的稳定性测试图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应该理解，这些实施例仅用于说明本专利技术，而不用于限定本专利技术的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本专利技术做出的改进和调整，仍属于本专利技术的保护范围。实施例1本实施例的一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，具体包括以下步骤：(1)正极材料-掺镁氧化铝包裹的石墨烯的制备将6g氧化石墨烯分散在300mL去离子水中得到溶液A；再配制100mL0.05M仲丁醇铝的2-丁醇溶液B，溶液B中加入硝酸镁，其中，硝酸镁和仲丁醇铝的摩尔比为0.2:1；将溶液A和B混合后在85℃搅拌1h，在继续加入6.8mL1.6M的硝酸溶液搅拌反应1h后，停止搅拌，回流反应4h，真空抽滤即得到产物RGO-Al-1，其扫描电镜图如图3所示，从图显示，与实施例1和2制得的还原型石墨烯相比，石墨烯纳米片的表面覆盖上了一层掺镁氧化铝的颗粒；(2)负极材料-低温热处理的还原型氧化石墨烯的制备将氧化石墨烯与去离子水按质量比5：95混合，超声并搅拌均匀，随后对其进行水热处理，其中，水热处理水热温度160℃，时间4h，产物在空气中80℃烘干，即可得到还原型氧化石墨烯RGO-1，其扫描电镜图如图1所示，从图显示，石墨烯RGO-1为片状，与文献报道的一致，此外，该石墨烯RGO-1为二维片状炭组成的三维层次结构，而大量研究表明，这种有三维层次结构有利于离子在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，其特征在于，包括正极电极材料和负极电极材料的制备，所述的正极电极材料为掺镁氧化铝包裹的石墨烯，所述的负极电极材料为还原型氧化石墨烯，包括以下步骤：(1)掺镁氧化铝包裹的石墨烯的制备配制质量分数为0.5‑2.0％的氧化石墨烯水溶液A；再配制100mL0.02‑2.0M仲丁醇铝的2‑丁醇溶液B，再加入镁盐，其中，镁盐和仲丁醇铝的摩尔比为0.2‑1:1；然后将溶液A和B混合，并在80‑85℃搅拌1‑2h，再加入酸溶液至pH值为3，搅拌反应0.5‑2h后，停止搅拌，回流反应2‑24h，真空抽滤，即得到掺镁氧化铝包裹的石墨烯；(2)还原型氧化石墨烯的制备将氧化石墨烯与去离子水按质量比为2‑25：75‑98混合均匀，随后对进行水热处理，水热处理的水热温度120‑180℃，时间2‑12h，再经干燥，即得到还原型氧化石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，其特征在于，包括正极电极材料和负极电极材料的制备，所述的正极电极材料为掺镁氧化铝包裹的石墨烯，所述的负极电极材料为还原型氧化石墨烯，包括以下步骤：(1)掺镁氧化铝包裹的石墨烯的制备配制质量分数为0.5-2.0％的氧化石墨烯水溶液A；再配制100mL0.02-2.0M仲丁醇铝的2-丁醇溶液B，再加入镁盐，其中，镁盐和仲丁醇铝的摩尔比为0.2-1:1；然后将溶液A和B混合，并在80-85℃搅拌1-2h，再加入酸溶液至pH值为3，搅拌反应0.5-2h后，停止搅拌，回流反应2-24h，真空抽滤，即得到掺镁氧化铝包裹的石墨烯；(2)还原型氧化石墨烯的制备将氧化石墨烯与去离子水按质量比为2-25：75-98混合均匀，随后对进行水热处理，水热处理的水热温度120-180℃，时间2-12h，再经干燥，即得到还原型氧化石墨烯。2.根据权利要求1所述的不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中的水热处理之前，还包括冷干处理，冷干处理：在惰性气氛或空气中，升温速率为1-10℃/...

【专利技术属性】
技术研发人员：张滨义，
申请(专利权)人：上海丁香环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31