本发明专利技术涉及一种三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极的制备方法，属于电容型脱盐电极的制备领域。本发明专利技术将二氧化硅和氧化石墨的水分散液超声混合、真空抽滤及干燥即制得二氧化硅/氧化石墨复合材料；将正硅酸四乙酯、介孔碳的前驱体溶液及乙醇混合均匀，搅拌反应后，依次加入盐酸水溶液及上述复合材料，经低温挥发、高温固化、惰性气氛中碳化及氢氟酸刻蚀即制得三维分级结构石墨烯/多孔碳复合材料；将复合材料、乙炔黑及聚四氟乙烯乳液混合均匀后涂覆在石墨纸上，烘干即制得电容型脱盐电极。本发明专利技术操作简单、条件易控，所得的电极具有高比表面和良好导电性，在电容型脱盐方面拥有潜在应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术可应用于海水和苦咸水的淡化，为低能耗、低成本、高性能脱盐提供了新途径。
技术介绍
水资源危机是本世纪全球面临的最大资源危机之一，海水与苦咸水脱盐淡化是解决该危机的重要途径。现有脱盐方法主要有蒸馏法(包括多级闪蒸、多级蒸发和压气蒸馏)和膜法(包括反渗透和电渗析)。但是蒸馏法操作温度高、锅垢危害严重、腐蚀严重；膜法对膜性能要求严格、膜损坏率高且费用昂贵。另外，这些脱盐方法均存在能耗高、成本大的缺点。所以采用新技术降低淡化成本一直是海水淡化技术最重要的发展目标。因此，研发能耗低、成本低的脱盐技术应用前景十分光明。电容型脱盐(Capacitive Deionization ;CDI)是基于双电层电容原理的全新脱盐技术。与传统的脱盐方法相比，该方法具有成本低、脱盐效率高、工艺设备简单、易于实施、同时没有二次污染、对环境友好的优点，为高效率、低能、低成本脱盐技术提供了新的途径。基于⑶I的原理可以看出，具有比表面积大、空隙发达、导电性好的电极材料成为获得闻CDI性能的关键。碳材料由于具有闻的比表面积、良好的导电能力、独特的化学稳定性、原料来源丰富、生产工艺也比较成熟等优点在电极材料方面有非常广泛的应用。迄今为止，用作⑶I电极的多孔碳材料主要包括活性炭、炭气凝胶、碳纳米纤维、介孔碳以及石墨烯。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，作为一种新兴的二维蜂窝状结构的碳材料，具有良好的导电性(7200 S/m)、高化学稳定性、及较大的理论比表面积(2600 m2/g)。石墨烯自 被发现以来，在理论研究和实际应用方面已经展现出无穷魅力，吸引了国内外的众多学者对其进行研究。目前已有大量研究发现将石墨烯用作电极材料时其具有优异的电化学性能。尽管石墨烯具有很大的理论比表面积，常用的热还原或者化学方法制备的石墨烯由于片与片之间较强的范德华力，易发生层与层之间的叠层以及团聚等现象，使得制备的石墨烯比表面积较理论值大大降低，因而将其用作电极材料时明显降低了其脱盐性能。Dreyer 等人(Dreyer, D.R.; Murali, S.; Zhu, Y.; Ruoff, R.S.; Bielawskij C.W.，Reduction of graphite oxide using alcohols.J Mater Chem2011，21 (10)，3443)以醇类作为还原剂还原氧化石墨制备了石墨烯，但是其比表面积仅为1(T40 m2/g，这是因为在还原过程中，存在J1-JI键的恢复导致石墨烯产生大量的团聚。Pan 等人(Li，H.B，Zou LD.Lu T.A comparative study on electrosorptivebehavior of carbon nanotubes and graphene for capacitive deionization.Journalof Electroanalytical Chemistry 653 (2011) 40 - 44)通过水合肼还原制备了石墨烯脱盐电极，其石墨烯团聚严重，比表面积只有77 m2/g，用作电极材料时脱盐性能较差。因此为了降低石墨烯在制备过程中的团聚，提高其比表面积，目前对于多孔石墨烯的制备以及基于石墨烯的复合材料逐渐成为国内外的研究热点。为了解决上述问题，本专利技术制备新型的更高表面积、高导电性的、空隙发达的、表面利用率较高的三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极材料，为高性能、高效率、低能耗的脱盐提供了新途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种应用双电层电容型脱盐法进行海水淡化处理的。将具有高表面积，高导电性的大孔，介孔有效结合的分级孔碳材料插入到石墨烯层间形成了一种三维导电结构，使得石墨烯的层与层之间相互分离，有效的防止了石墨烯的团聚；同时分级孔结构的引入不仅使得石墨烯的比表面积明显增大，同时可以引入更多纳米孔道，有利于离子扩散，可以大大提高脱盐性能。将高比表面积，良好导电性，发达孔结构的分级多孔碳引入石墨烯层间制备一种新型的三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极，具有更高的比表面积、良好的导电性和更好的脱盐性能。本专利技术的目的是通过以下技术手段和措施来达到的。本专利技术提供一种，其特征在于以下的制备过程和步骤: (O电极材料的制备: 将单分散二氧化硅(SiO2)超声分散在一定量的水中，然后加入到一定含量的氧化石墨(GO)的水分散液中(SiO2与GO的质量比为1:2飞:I)，超声混合均匀后，经抽滤后室温干燥得到Si02/G0复合材料；向苯酚中加入氢氧化钠水溶液，搅拌均匀后缓慢加入甲醛水溶液，升温至65 75 °(:反应广2.5 h，冷却至室温后用盐酸水溶液调节pH值呈中性，低温真空减压蒸馏降低水含量，然后加入乙醇搅拌1(T12 h后离心除去无机盐得到酚醛树脂前驱体溶液；将结构导向剂F127 (PEOici6-PPO7c1-PEOici6),正硅酸四乙酯(TEOS)与酚醛树脂前驱体溶液加入到乙醇中，在3(Γ55 °(:搅拌反应2 h后加入盐酸水溶液搅拌10 min，然后加入上述制备的Si02/G0复合材料继续反应5 8 h后抽滤除去过量的溶液，进一步低温挥发高温固化，然后在惰性气氛中碳化后加入氢氟酸水溶液搅拌反应除去SiO2模板，充分洗涤干燥后即可得到三维分级结构石墨烯/多孔碳复合材料。(2)电容型脱盐电极的制备: 将步骤(I)制备的三维分级结构石墨烯/多孔碳复合材料，乙炔黑及聚四氟乙烯乳液按照质量比为80:10:1(Γ90:5:5搅拌混合均匀后涂覆到导电基底石墨纸上，随后在100^120 0C烘干；最终制得三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极。上述的SiO2微球的水溶液中微球的浓度为Γ10 mg/mL ;上述的GO的水溶液浓度为广4 mg/mL。一定浓度的SiO2和GO的水分散液在超声作用下能够均匀地混合，使得SiO2在GO表面更加均匀的分布；Si02浓度过高而GO浓度过低时，则过量的SiO2微球则在混合溶液中逐渐沉淀，导致Si02/G0复合材料中游离的SiO2的存在；此外，SiO2浓度过低而GO浓度过高时，则S iO2微球在GO表面存在局部键合，导致SiO2的不均匀分布，使得GO表面的含氧官能团利用率降低。上述的苯酚、甲醛、氢氧化钠与结构导向剂的摩尔比为1: 2: (0.05^0.15):(0.005 0.025)。结构导向剂F127 (ΡΕ0106-ΡΡ070-ΡΕ0106)两端的亲水端与酚醛树脂前驱体有较强的氢键作用，确保了良好的分散性，为进一步的聚合热解反应提供了可能；其次peo106-ppo70-peo106模板具有大量的氧原子和较低的分解温度，很容易除去。上述的结构导向剂F127、TEOS与盐酸的摩尔比为1:72: (0.5 1.5)。结构导向剂F127 (PEOici6-PPOro-PEOici6)两端的亲水端与TEOS及SiO2较强的氢键作用，确保了在SiO2表面上F127，酚醛树脂前驱体溶液及TEOS之间的相互反应，为SiO2微球表面包覆介孔碳提供了可能，其次，经过炭化后的产物中SiO2模板进过氢氟酸刻蚀很容易除去。上述的经过介孔碳前驱体溶液包覆的Si02/G0模板需要经过低温挥发本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）电极材料的制备：将单分散二氧化硅超声分散在一定量的水中，然后加入到一定含量的氧化石墨的水分散液中，二氧化硅与氧化石墨的质量比为1:2~5:1，超声混合均匀后，经抽滤后室温干燥得到二氧化硅/氧化石墨复合材料；向苯酚中加入氢氧化钠水溶液，搅拌均匀后缓慢加入甲醛水溶液，升温至65~75?oC反应1~2.5?h，冷却至室温后用盐酸水溶液调节pH值呈中性，低温真空减压蒸馏降低水含量，然后加入乙醇搅拌10~12?h后离心除去无机盐得到酚醛树脂前驱体溶液；将结构导向剂F127，正硅酸四乙酯与酚醛树脂前驱体溶液加入到乙醇中，在30~55?oC搅拌反应2?h后加入盐酸水溶液搅拌10?min，然后加入上述制备的二氧化硅/氧化石墨复合材料继续反应5~8?h后抽滤除去过量的溶液，进一步低温挥发高温固化，然后在惰性气氛中碳化后加入氢氟酸水溶液搅拌反应除去二氧化硅模板，充分洗涤干燥后即可得到三维分级结构石墨烯/多孔碳复合材料；（2）电容型脱盐电极的制备：将步骤(1)制备的三维分级结构石墨烯/多孔碳复合材料，乙炔黑及聚四氟乙烯乳液按照质量比为80:10:10~90:5:5搅拌混合均匀后涂覆到导电基底石墨纸上，随后在100~120?oC烘干；最终制得三维分级结构石墨烯/多孔碳复合电容型脱盐电极。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张登松，施利毅，温晓茹，颜婷婷，张剑平，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。