一种电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料的制备及其应用制造技术

本发明专利技术属于电容去离子脱盐技术领域，涉及一种电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料的制备及其应用。制备包括：先将氧化石墨烯、过氧化氢和尿素通过一步水热法，制备氮掺杂三维石墨烯水凝胶；再将氮掺杂三维石墨烯水凝胶、碳纳米管和六水合硝酸锌分散在无水甲醇中，得到溶液A；将二甲基咪唑溶于无水甲醇中得到溶液B；随后将溶液B加入到溶液A中，充分搅拌静置，经过抽滤烘干后，得氮掺杂三维石墨烯/碳纳米管/ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料的制备及其应用


[0001]本专利技术属于电容去离子脱盐
，尤其涉及到一种电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料的制备及其应用。

技术介绍

[0002]目前，水污染已成为全球面临的生态威胁之一，可饮用水资源短缺严重影响着人类的生产和生活。因此，许多国家正积极开发苦咸水和海水等水资源淡化技术以生产可饮用的淡水。相比于反渗透、多级闪蒸和电渗析等技术，电容去离子(CDI)具有能耗低、环境友好和操作方便等优点，是目前在中/低浓度盐水淡化中最具发展前景的技术之一。CDI的工作原理为：具有一定盐离子浓度的水溶液经过一对平行的带有活性物质的碳电极时，施加在电极两对的正负电压(一般小于1.23V)使得水溶液中的盐离子朝着带相反电荷的电极方向移动，到达电极表面，由于活性物质内部具有孔隙结构，盐离子会被吸附在孔内而储存；当施加的电压反接或者电极短接时，原先被吸附的离子由于电荷同性相斥作用，从活性物质表面或者内部孔隙开始被排出，电极得到再生。
[0003]金属有机框架(MOF)材料具有结构可控、良好的稳定性、超高的吸附容量和较大比表面积等特点，已被广泛应用于污水处理、吸附、催化和分离等领域。MOFs衍生多孔碳材料应用于水处理领域具有较多的优势：(1)通过金属离子源和有机配体的组合以及炭化温度的控制，可以制备不同化学组合以及孔径的多孔碳纳米材料；(2)衍生碳比表面积较大，孔结构丰富，增加了电极材料与电解液的接触面积；(3)在电吸附过程中，多孔结构有利于缩短离子的传输路径，从而提高吸附效率。ZIF
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8是一种典型的ZIFs材料，由金属原子Zn和2
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甲基咪唑合成，具有良好的耐化学性和热稳定性，即使在水、醇和DMF等溶剂中放置一段时间，也能保持良好的结晶度和孔隙率。常规合成ZIF
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8的方法有溶剂热法和水热法，所得到的产物纯度较高且尺寸均匀，在去除水中盐离子方面具有良好的应用前景。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种价格低廉、环境友好、操作简单的电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料的制备及其应用，该方法制备的ZIF
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8衍生碳生长在碳纳米管上并均匀的分散在石墨烯片层，且形成多孔结构，增加电极材料的比表面积。
[0005]为实现本专利技术的目的，所采用的技术方案为：一种电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)以氧化石墨烯、过氧化氢和尿素为原料，通过水热反应制备氮掺杂三维石墨烯水凝胶；
[0007]具体的，将氧化石墨烯、过氧化氢和尿素按照一定质量比，加入到去离子水中，超声震荡至均匀混合(一般1小时左右)，加入到高压釜中，180～200℃水热反应12～15h后，得到氮掺杂三维石墨烯水凝胶。
[0008](2)将步骤(1)中的氮掺杂三维石墨烯水凝胶与碳纳米管，水溶性硝酸盐(例如硝酸锌、硝酸钴、硝酸镍、硝酸镁等水合物)按照一定质量比加入到无水甲醇中，搅拌均匀后静置使得充分反应(静置时间优选24h)，得到溶液A；将设定质量的二甲基咪唑加入到无水甲醇中，得到溶液B。
[0009](3)将步骤(2)中的B溶液加入A溶液中，经搅拌后抽滤，真空干燥，得到氮掺杂三维石墨烯/碳纳米管/ZIF
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8复合材料前驱体。
[0010](4)将步骤(3)中的氮掺杂三维石墨烯/碳纳米管/ZIF
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8复合材料前驱体在惰性气氛保护下煅烧得到衍生碳，再用硝酸对衍生碳氧化刻蚀，真空干燥后，得到石墨烯基三元复合多孔碳电极材料。
[0011]进一步的，步骤(1)中，所述过氧化氢为30wt％的水溶液，氧化石墨烯、过氧化氢与尿素的质量比为1：0.02：2～10，更优选1：0.02：5。
[0012]进一步的，步骤(2)中，所述氮掺杂三维石墨烯水凝胶、碳纳米管、硝酸盐盐和二甲基咪唑的质量比为：0.08～0.12：0.02～0.08：1.8～5.4：4.1～12.3，优选为0.08～0.12：0.02～0.08：2.5～4.5：5.5～10.5，更优选0.1：0.06：3.6：8.2。
[0013]进一步的，步骤(3)中，搅拌时间为12h。
[0014]进一步的，步骤(4)中，所述煅烧温度：950～1000℃，升温速率为5～8℃/min，煅烧时间为2～3h。
[0015]进一步的，步骤(4)中，硝酸浓度为4～8mol/L，反应温度为80～90℃，反应时间为5～6h。
[0016]进一步的，步骤(4)中真空干燥温度为60℃，干燥时间为24h。
[0017]一种上述方法制备的电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料在电容去离子脱盐中的应用，包括如下步骤：将石墨烯基三元复合多孔碳电极材料制备成CDI电极，可采用通用方法，例如，将石墨烯基三元复合多孔碳、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液(60wt％)(PTFE)，按照质量比8:1:1混合，滴加无水乙醇至粘稠，混合均匀后采用辊压机压制成碳膜，得到CDI电极。
[0018]上述电极主要在电容去离子
应用，具有较高的脱盐效率。
[0019]与现有技术相比，本专利技术取得如下的有益效果：
[0020]1)本专利技术通过原位生长法制备三维石墨烯/碳纳米管/ZIF
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8复合材料前驱体，方法简单，成本低廉。高温碳化后，采用硝酸进行氧化刻蚀，不仅有改善孔结构，增加离子吸附活性位点，同时也可以改善碳材料的亲水性。
[0021]2)本专利技术制备的石墨烯基三元复合多孔碳电极材料制备方法相比于物理混合，ZIF
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8原位生长在碳纳米管上并均匀的附着在氧化石墨烯片层(未经还原处理)表面，碳纳米管和氧化石墨烯可以将MOF颗粒最大化的衔接，同时避免各自发生团聚，经高温段稍后形成了在微观上具有三维导电网络机构，与进一步提高了多孔碳材料的导电性，有利于离子的快速传输，在电容去离子脱盐中具有良好的应用效果。
附图说明
[0022]图1是实施例二中的复合多孔碳电极材料透射电镜图；
[0023]图2是实施例二的复合多孔碳电极材料电吸附循环脱附性能曲线图。
具体实施方式
[0024]本专利技术不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本专利技术公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本专利技术的，或者凡是采用本专利技术的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本专利技术的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0025]本专利技术下面结合实施例作进一步详述：
[0026]本专利技术不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本专利技术公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本专利技术，或者凡是采用本专利技术的设计结构和思路，做简单变化或者更改的，都落入本专利技术的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例和实施例中的特征可以相互组合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)含氧化石墨烯、过氧化氢和尿素的均匀混合物通过水热反应制备氮掺杂三维石墨烯水凝胶；(2)将步骤(1)中的氮掺杂三维石墨烯水凝胶与碳纳米管、水溶性硝酸盐按照一定质量比加入到无水甲醇中，搅拌均匀后静置使得充分反应，得到溶液A；将设定质量的二甲基咪唑加入到无水甲醇中，得到溶液B；(3)将步骤(2)中的溶液B加入溶液A中，经搅拌后抽滤，真空干燥，得到氮掺杂三维石墨烯/碳纳米管/ZIF
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8复合材料前驱体；(4)将步骤(3)中的氮掺杂三维石墨烯/碳纳米管/ZIF
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8复合材料前驱体在惰性气氛保护下煅烧得到衍生碳，再用硝酸对衍生碳氧化刻蚀，真空干燥后，得到石墨烯基三元复合多孔碳电极材料。2.根据权利要求1所述的电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，过氧化氢为30wt％的水溶液，氧化石墨烯、过氧化氢与尿素的质量比为1：0.02：2～10，水热反应温度180～200℃。3.根据权利要求1所述的电容去离子用石墨烯基三元复合多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)具体步骤为，将质量比为1：0.02:5的氧化石墨烯、过氧化氢和尿素加入到去离子水中，超声震荡至混合均...

【专利技术属性】
技术研发人员：李锦春，龚天阳，王然，刘石，李炳健，周银杰，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：