一种自支撑电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电极材料领域，公开了一种自支撑电极及其制备方法和应用。制备方法：制备菌丝纤维前驱体；将菌丝纤维前驱体和增强材料混合制成复合菌丝纤维垫片；对复合菌丝纤维垫片进行碳化，得自支撑电极。本发明专利技术采用菌丝纤维作为电极原料，操作简单，成本低，利于规模化生产；且经碳化处理后的电极具有碳骨架的结构，赋予其自支撑特性，不需要使用支撑基底和胶黏剂；增强材料的加入进一步调控了电极材料的孔结构，提高了电极的导电性，利于电子的快速传递与离子吸附，并可保障电极的使用寿命。因此，该自支撑电极可用于脱盐和选择性电吸附离子。该自支撑电极可用于脱盐和选择性电吸附离子。该自支撑电极可用于脱盐和选择性电吸附离子。

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电极材料领域，具体涉及一种自支撑电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]全球淡水资源的短缺和水环境污染的加剧使得全球饮用水供需的矛盾突出。地球上超过97％的水属于盐水(海水和湖泊/地下咸水)，而剩余约2.5％的淡水中则仅有0.4％左右可供直接饮用。此外，日益凸显的水环境污染问题，削弱了自然水体的自净化能力，加剧了水资源的短缺问题。为此，一方面开发利用海水和咸水资源，做好可利用水资源的“增量”，另一方面开展污水的高效治理，盘活现有的水资源“存量”是应对水资源危机的两大关键举措，而发展新型高效的水资源净化技术(特别是脱盐技术)是其重要途径。
[0003]与反渗透、膜蒸馏、电透析等常用的脱盐技术相比，电容去离子(CDI)技术不需要施加压力和外加热源，具有能耗低、水回收率高和操作简单等优点，是处理低浓度盐水(＜1g/L)的有效手段。其中电极材料是决定CDI脱盐性能的关键。现阶段，常见的CDI电极材料以颗粒态的活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶及其复合碳材料为主，大部分电极电吸附能力较低，脱盐速率不到1mg/g/min，且往往在电极制备时需要使用支撑基底和胶黏剂黏连成一体化结构后使用，存在脱盐容量及脱盐速率不佳、制备成本高与不易放大的问题。
[0004]因此，开发高性能的CDI电极仍是值得关注的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种自支撑电极的制备方法，能够为电容去离子(CDI)脱盐提供理想的电极材料。
[0006]本专利技术还提出根据上述制备方法制得的自支撑电极。
[0007]本专利技术还提出根据上述制备方法制得的自支撑电极的应用。
[0008]根据本专利技术的一个方面，提出了一种自支撑电极的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1：制备菌丝纤维前驱体；
[0010]S2：将步骤S1制备的所述菌丝纤维前驱体和增强材料混合制成复合菌丝纤维垫片；所述增强材料包括碳材料、高分子染料或生物质大分子中的至少一种；
[0011]S3：对所述复合菌丝纤维垫片进行碳化，得所述自支撑电极。
[0012]根据本专利技术的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：
[0013]本专利技术采用菌丝纤维作为自支撑电极的前驱体，菌丝纤维是通过对具有菌丝结构的菌体进行培养制成的，因此这种菌丝纤维可大批量快速培养，制备过程简单，成本低，无有毒有害试剂的引入，利于规模化生产；另外，本专利技术制备的菌丝纤维前驱体本身具有三维网状结构，赋予电极较高的离子可接触有效面积以及丰富的电极孔道结构，利于离子的快速迁移与扩散；同时本专利技术中的自支撑电极具有富氮自掺杂的特性(菌丝的氮含量较高，碳化后仍能保留较高的含氮结构，因此具有富氮自掺杂特性)，能够提高电极的润湿性和导电性；进一步加入孔隙发达和导电性良好的碳材料、高分子染料或生物质大分子，可调控电极
的孔结构，提高电极的导电性，利于电子的快速传递与离子吸附，并可保障电极的使用寿命。
[0014]此外，由于菌丝纤维前驱体和增强材料混合后，经过抄片和碳化处理制成的电极，具有自支撑的特性，克服了现有CDI电极主要以颗粒态碳材料组成的缺点，不需要使用支撑基底和胶黏剂粘连成电极片。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中通过对菌体进行培养来制备所述菌丝纤维前驱体。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中通过对菌体进行培养形成菌丝纤维，再对所述菌丝纤维进行清洗，从而得到所述菌丝纤维前驱体。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中，所述菌体包括具有丝状结构的真菌或细菌中的至少一种。
[0018]在本专利技术的一些实施方式中，所述真菌包括黑曲霉、黄曲霉、少根根霉、毛霉或白腐菌中的至少一种。
[0019]在本专利技术的一些优选的实施方式中，所述真菌选取所述黑曲霉。
[0020]在本专利技术的一些实施方式中，所述细菌包括放线菌。
[0021]在本专利技术的一些实施方式中，所述细菌包括牛型放线菌、衣氏放线菌、棘孢小单胞菌、诺卡氏菌或绿灰链孢囊菌中的至少一种。
[0022]在本专利技术的一些实施方式中，所述培养在振荡和有氧条件下进行。
[0023]在本专利技术的一些实施方式中，所述振荡培养的转速为140～200rpm。
[0024]在本专利技术的一些优选的实施方式中，所述振荡培养的转速为150rpm。
[0025]在本专利技术的一些实施方式中，所述培养的温度为20～40℃。
[0026]在本专利技术的一些优选的实施方式中，所述培养的温度为28℃。
[0027]在本专利技术的一些实施方式中，所述培养的时间为3～5天。
[0028]在本专利技术的一些优选的实施方式中，所述培养的时间为5天。
[0029]在本专利技术的一些实施方式中，所述菌丝纤维的得率为5～15g/L。
[0030]在本专利技术的一些优选的实施方式中，所述菌丝纤维的得率为8g/L。
[0031]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2所述的混合包括以下步骤：首先在稀释所述菌丝纤维前驱体的同时加入所述增强材料，经分散得菌丝纤维悬浮液。
[0032]在本专利技术的一些实施方式中，通过加水来稀释所述菌丝纤维前驱体。
[0033]在本专利技术的一些实施方式中，稀释后的所述菌丝纤维前驱体的固含量为0.5～1.0wt.％。
[0034]在本专利技术的一些优选的实施方式中，稀释后的所述菌丝纤维前驱体的固含量为0.65wt.％。
[0035]在本专利技术的一些实施方式中，所述分散的方法包括搅拌或借助疏解机分散中的任一种。
[0036]在本专利技术的一些实施方式中，所述碳材料包括石墨烯、富勒烯、碳纳米管或活性炭中的至少一种。
[0037]在本专利技术的一些实施方式中，所述高分子染料包括甲基橙、亚甲基蓝、刚果红或含磷高分子染料中的至少一种。
[0038]加入高分子染料可以改善电极的杂原子掺杂特性(如S、P、N等)，以进一步提高电极的电容特性。
[0039]在本专利技术的一些实施方式中，所述生物质大分子包括木质素、蛋白质、核酸或糖类中的至少一种。
[0040]加入生物质大分子，碳化后可进一步增加电极的导电性和改善孔结构。
[0041]在本专利技术的一些实施方式中，所述菌丝纤维前驱体和所述增强材料混合的质量比为(5～100)：1。
[0042]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2在制得所述菌丝纤维悬浮液后，通过真空抽滤和干燥制得所述复合菌丝纤维垫片。
[0043]采用真空抽滤的方法可以使各菌丝之间相互交织而获得结构紧密的所述复合菌丝纤维垫片。
[0044]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3在惰性氛围中进行所述碳化。
[0045]在本专利技术的一些实施方式中，所述惰性氛围中的惰性气体包括氦气、氖气或氩气中的至少一种。
[0046]在本专利技术的一些实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自支撑电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：制备菌丝纤维前驱体；S2：将步骤S1制备的所述菌丝纤维前驱体和增强材料混合制成复合菌丝纤维垫片；所述增强材料包括碳材料、高分子染料或生物质大分子中的至少一种；S3：对所述复合菌丝纤维垫片进行碳化，得所述自支撑电极。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中通过对菌体进行培养来制备所述菌丝纤维前驱体。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述菌体包括具有丝状结构的真菌或细菌中的至少一种；优选地，所述真菌包括黑曲霉、黄曲霉、少根根霉、毛霉或白腐菌中的至少一种；优选地，所述细菌包括牛型放线菌、衣氏放线菌、棘孢小单胞菌、诺卡氏菌或绿灰链孢囊菌中的至少一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2所述的混合包括以下步骤：首先在稀...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓岩，陈娇，梁嘉晋，李炳，林琳，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：