一种电容去离子器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种电容去离子器件及其制备方法。所述电容去离子器件包括至少两层改性功能化多孔碳纳米电极片，相邻碳纳米电极片之间以绝缘的多孔薄膜间隔。所述电容去离子器件的制备方法包括(10)高温挤压碳化、(20)释压膨胀、(30)功能化多孔碳纳米片制备、(40)碳纳米片改性、(50)电极片制备和(60)电容去离子组装步骤。本发明专利技术方法制备的电容去离子器件，电容去离子效率高、除盐速度快。

A Capacitance Deionization Device and Its Preparation Method

The invention discloses a capacitive deionization device and a preparation method thereof. The capacitive deionization device comprises at least two layers of modified functionalized porous carbon nano-electrode sheets spaced by insulated porous film between adjacent carbon nano-electrode sheets. The preparation method of the capacitive deionization device includes (10) high temperature extrusion carbonization, (20) pressure relief expansion, (30) functional porous carbon nanosheet preparation, (40) carbon nanosheet modification, (50) electrode sheet preparation and (60) capacitive deionization assembly steps. The capacitive deionization device prepared by the method of the invention has high capacitive deionization efficiency and fast desalination speed.

【技术实现步骤摘要】
一种电容去离子器件及其制备方法
本专利技术属于储能器件
，特别是一种基于挤压膨胀和等离子体碳化辐射改性的功能化多孔碳纳米片的电容去离子器件及其制备方法。
技术介绍
电容去离子(CapacitiveDeionization,，CDI)是一种基于电化学双电层电容理论(环境工程学报，2015，9(4)，1565)的电吸附脱盐技术，其基本原理是在一对平行电极之间施加外加电场，一个电极带正电，另一个电极带负电，盐水从电极间流过，在静电作用下，溶液中的离子向带有相反电荷的电极移动，溶液中的阳离子被吸附在负极表面，同时阴离子被吸附在正极表面；随着离子不断被吸附，溶液的浓度逐渐降低，从而实现溶液中盐离子的脱除；放电过程时，吸附的离子从电极表面脱附到溶液中，从而实现电极的再生(Desalination，2008，228(1-3)，10)。电容去离子所需要的电压为1～2V，属于低驱动能量，无二次污染，成本低，并可应用在很多方面，包括家庭和工业用水软化、海水和农业灌概用水的脱盐等(ProgressinMaterialsScience，2013，58(8)，1388)，因此是一种具有较大发展潜力的新型脱盐技术。电容去离子可以通过在电解液与多孔电极界面上可逆的离子吸附来储存电荷(Adv.Mater.，2016,28,6104)。高比表面积和恰当的孔径分布是CDI材料为足够数量的电解液粒子提供活性位点和通道的关键因素(Acc.Chem.Res.，2015,48,1666)。此外，表面功能化改性(例如杂原子掺杂)能大大提高电解液对CDI材料的浸润性，从而提高除盐性能。因此，开发简单清洁的合成技术路线，为高效的除盐设备(CDI)开发新颖先进的多孔材料，来满足能源的关键需求是十分必要的。新型CDI电极材料应满足下列要求：(1)高比表面积提供更多活性位点，以加快离子的储存；(2)均衡的纳米孔分布提供快速的离子传输通道，以增加倍率性能和除盐容量；(3)纳米尺寸结构设计，以减少离子扩散距离；(4)缺陷和杂原子的引入，以增加材料的浸润性、反应的活性位点和离子易接近的表面。基于此，众多多孔电极材料被合成并报道，尤其是纳米碳材料因其易调控的比表面积、孔分布和表面修饰，受到大量关注。例如，通过硬模板法制备的碳纳米笼(Adv.Mater.，2017,29,1700470)，多孔碳纳米片(J.PowerSources，2017,357,41)；通过软模板法制备的碳纳米球(Nanoscale，2016,8,451)，烧瓶状中空碳(J.Am.Chem.Soc.，2017,139,2657)；以及从多种生物质材料中获得高比表面积的碳材料等，在用作电容去离子电极材料时显示出良好的除盐效率和倍率性能。然而，大多数情况下模板法因其复杂的制备方法而非常耗时、耗能，不利于规模化制备，并且所获得的材料在活化过程中因产生大量微孔的容易造成结构坍塌，反而降低超级电容器性能。因此，现有技术存在的问题是：电容去离子器件的效率不高、除盐速度低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电容去离子器件，电容去离子效率高、除盐速度快。本专利技术的另一目的在于提供一种电容去离子器件的制备方法，采用挤压膨胀和等离子体碳化辐射法，以功能化多孔碳纳米片，使电容去离子器件电容去离子效率高、除盐速度快。实现本专利技术目的的技术方案为：一种电容去离子器件，包括至少两层改性功能化多孔碳纳米电极片，相邻碳纳米电极片之间以绝缘的多孔薄膜间隔。优选地，所述功能化多孔碳纳米电极片由含有水分、碳水化合物并掺有磷、氮、硫元素的蛋白质颗粒状前驱体经高温挤压碳化、释压膨胀、氨气气氛活化、等离子体碳化辐射得到功能化杂原子掺杂碳纳米制成。实现本专利技术另一目的的技术方案为：一种电容去离子器件的制备方法，包括如下步骤：(10)高温挤压碳化：将含有水分、碳水化合物并掺有磷、氮、硫元素的前驱体颗粒置于密闭容器中加热，使所述前驱体颗粒在密闭容器中受到蒸汽压力挤压并碳化；(20)释压膨胀：当密闭容器内压力达到3～30atm时，快速打开密闭容器以释放压力，使所述碳化的前驱体颗粒因内外压差的剧烈变化而瞬间膨胀，形成具有“蜂窝状”结构的多孔碳纳米片；(30)功能化多孔碳纳米片制备：将所述多孔碳纳米片在氨气气氛中活化，研磨，洗涤，干燥，得到高比例氮掺杂的功能化多孔碳纳米片；(40)碳纳米片改性：将所述功能化多孔碳纳米片置于密闭容器中，进行等离子碳化辐射和表面改性，制得氧含量、表面缺陷、活性位点更多的功能化高比表面积多孔杂原子掺杂的改性碳纳米片；(50)电极片制备：将改性碳纳米片加粘结剂，制成薄片状电极材料，冷压烘干，得到改性功能化多孔碳纳米电极片；(60)电容去离子组装：将至少两层改性功能化多孔碳纳米电极片叠置，封装，得到基于挤压膨胀和等离子体碳化辐射改性的多孔碳纳米片的电容去离子器件，相邻改性功能化多孔碳纳米电极片之间以绝缘的多孔薄膜间隔。所述(30)功能化多孔碳纳米片制备步骤中，还同时加入活化剂，从而制得高比表面积高比例氮掺杂的功能化多孔碳纳米片。优选地，所述(10)高温挤压碳化步骤中，前驱体颗粒为掺有磷、氮、硫元素的小米、糯米、高粱米、大麦、小麦、燕麦、青稞、藕粉、面膜之一种或两种及两种以上组合。优选地，所述(30)功能化多孔碳纳米片制备步骤中，活化温度为300～900℃，活化时间为6～60分钟。所述(30)功能化多孔碳纳米片制备步骤中，活化剂选自高铁酸钾、高铁酸镁、高铁酸钙、磷酸氢氨、磷酸二氢钾、磷酸二氢氨、二硫化碳、氯化铵、磷酸三钠、L-乳酸锂、高锰酸锂、高锰酸钠、高锰酸钾、高锰酸铵、高锰酸钙、高锰酸钡、高锰酸锌、高锰酸镁、高锰酸铜、高锰酸锡、八氧化三锰、高锰酸铝、高锰酸铁、高锰酸铋、四羟基铜酸盐、明矾之一种。优选地，所述(50)电极片制备步骤中，所述改性碳纳米片与粘结剂的质量比为98：2。优选地，所述(60)电容去离子组装步骤中，所述多孔薄膜为尼龙布、玻璃纤维纸、石棉纸、聚乙烯微孔膜、聚乙烯醇膜、聚丙烯微孔膜、聚偏氟乙烯膜之一种。本专利技术通过简单的“挤压膨胀”和“等离子体碳化辐射”法，将含有水分、碳水化合物并掺有磷、氮、硫元素的蛋白质颗粒状前驱体经高温挤压碳化、释压膨胀、氨气气氛活化、等离子体碳化辐射得到功能化杂原子掺杂碳纳米制成；由至少两层功能化多孔碳纳米电极片组成，用多孔薄膜将双层的电极片分开防止短路和预处理的作用，再用密封板、垫圈组装成电容去离子(CDI)器件。组装成电容去离子(CDI)器件的功能化多孔碳纳米电极片(NCS-X)被赋予超高的比表面积，在活化温度为850°时可达最高的3326m2g-1，最优化的小介孔(介孔体积占据31％)和微孔。此外，等离子体碳化辐射对材料表面进行改性，很好的提高表面氧含量、表面缺陷和活性位点数量，提高浸润性；氨气气氛活化使NCS-X获得高比例氮元素掺杂，在制成电极片浸润电解液时，极易被电解液浸润，从而大大提高比表面积的利用率，因而表现出优越的电容去离子(CDI)性能。以NCS-850为例，在电流密度为80Ag-1，水系盐溶液6MNaCl中容量达到218Fg-1。这是我们已知的生物质衍生碳材料中最高的。本专利技术提供了一种方便快捷、绿色环保且可工业化的制备高性能电容去离子(CDI)器件电极材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容去离子器件，其特征在于：包括至少两层改性功能化多孔碳纳米电极片，相邻碳纳米电极片之间以绝缘的多孔薄膜间隔。

【技术特征摘要】
1.一种电容去离子器件，其特征在于：包括至少两层改性功能化多孔碳纳米电极片，相邻碳纳米电极片之间以绝缘的多孔薄膜间隔。2.根据权利要求1所述的电容去离子器件，其特征在于：所述功能化多孔碳纳米电极片由含有水分、碳水化合物并掺有磷、氮、硫元素的蛋白质颗粒状前驱体经高温挤压碳化、释压膨胀、氨气气氛活化、等离子体碳化辐射得到功能化杂原子掺杂碳纳米制成。3.一种如权利要求1或2所述的电容去离子器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(10)高温挤压碳化：将含有水分、碳水化合物并掺有磷、氮、硫元素的前驱体颗粒置于密闭容器中加热，使所述前驱体颗粒在密闭容器中受到蒸汽压力挤压并碳化；(20)释压膨胀：当密闭容器内压力达到3～30atm时，快速打开密闭容器以释放压力，使所述碳化的前驱体颗粒因内外压差的剧烈变化而瞬间膨胀，形成具有“蜂窝状”结构的多孔碳纳米片；(30)功能化多孔碳纳米片制备：将所述多孔碳纳米片在氨气气氛中活化，研磨，洗涤，干燥，得到高比例氮掺杂的功能化多孔碳纳米片；(40)碳纳米片改性：将所述功能化多孔碳纳米片置于密闭容器中，进行等离子碳化辐射和表面改性，制得氧含量、表面缺陷、活性位点更多的功能化高比表面积多孔杂原子掺杂的改性碳纳米片；(50)电极片制备：将改性碳纳米片加粘结剂，制成薄片状电极材料，冷压烘干，得到改性功能化多孔碳纳米电极片；(60)电容去离子组装：将至少两层改性功能化多孔碳纳米电极片叠置，封装，得到基于挤压膨胀和等离子体碳化辐射改性的多孔碳纳米片的电容去离子器件，相...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯建华，代滇，何成达，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32