CN102583654B - 碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法 - Google Patents

碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法。本发明的复合电极材料中碳纳米管均匀撑在在石墨烯层间构成三明治结构,碳纳米管的一端连接剥离的石墨烯。本发明通过在石墨烯表面化学气相沉积,原位生长碳纳米管,实现低沉本、大规模制备碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合材料;将碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合材料与聚四氟乙烯乳液混合均匀涂抹在石墨纸上,烘干后即制得了碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极。本发明所制得的碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电极具有良好的导电性、优良的脱盐性能,在低能耗、低成本电容型脱盐方面拥有潜在的应用前景。

Description

碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法,本发明制备的碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极低成本、可批量生产,具有高效、低能耗的脱盐性能。属电脱盐电极制造工艺技术领域。
背景技术
电容型脱盐法是一种基于双电层电容原理的全新脱盐技术,在外接电压(1-2V)作用下,溶液中可溶性的盐离子向荷电相反的电极移动并吸附在电极上,从而达到淡化盐水的目的;当电极上吸附了足够多的离子时,将电极短路或反接,吸附在电极上的盐离子自行脱落,电极得以再生。该方法能耗低、脱盐效率高,对环境友好,可回收利用,为低成本脱盐提供了新的途径。可应用于海水和苦咸水的淡化、以及工、农业生产和生活用水的软化等方面, 其发展空间和应用前景广阔。目前,活性炭与碳气凝胶等常见的电极材料,具有较高的表面积,但是其中的微孔部分不能贡献脱盐性能,另外其导电性较差,极大地限制了其高效脱盐 (Lim J.A., Parka N.S., Parkb J.S., Choi J.H. Fabrication and characterization of a porous carbon electrode for desalination of brackish water,Desalination, 238 (2009)37-42.)。
石墨烯是一种二维蜂窝状结构的碳材料,是构成石墨的基本单元,具有良好的导电性、高化学稳定性、较宽的电化学窗口,及较高的比表面积。石墨烯的理论比表面积很大,但是由于片层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,使得石墨烯比表面积大大降低,因而降低了脱盐性能。Pan等人(Li H.B., Zou L.D., Lu T., Zhan Y.K., Nie C.Y., Sun Z., A comparative study on electrosorptive behavior of carbon nanotubes and graphene for capacitive deionization,Journal of Electroanalytical Chemistry, 653 (2011) 40–44.)比较了纳米碳管和石墨烯在脱盐性能,其制备的石墨烯团聚严重,比表面积只有77 m2/g,脱盐性能较碳纳米管差。Zou等人(Li H.B, Zou L.D., Pan L.K., Sun Z., Novel Graphene-Like Electrodes for Capacitive Deionization, Environmental Science & Technology, 44 (2010) 8692–8697.)制备了石墨烯脱盐电极较活性炭有较高的脱盐性能,但也存在团聚比较严重,比表面积也只有222 m2/g。  
碳纳米管具有特殊的管状结构和良好的导电性。但碳纳米管易于形成管束状结构极大降低性能。碳纳米管引入到石墨烯层间,使得石墨烯层与层之间相互分离开,防止石墨烯团聚,以达到提高石墨烯比表面积的目的。碳纳米管嵌入中间可以起到桥联作用将彼此分离的石墨烯连接起来,形成三维导电网络结构,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。但是目前,碳纳米管/石墨烯三维纳米结构电容型脱盐电极材料的制备主要局限于液相超声混合后辅助于还原处理得到电极材料,这种方法制备的电极材料碳纳米管是无序插入石墨烯片层,不能有效的将石墨烯分离开来,比表面积提高较小,且无法提供有序规则离子扩散通道,不能很好的实现碳纳米管和石墨烯在结构和性能上的有机互补。本专利采用化学气相沉积法可以使纳米碳管有序生长在石墨烯片层中间,起到支柱作用将团聚的石墨烯撑开、剥离,形成的三明治结构,可以极大地提高碳纳米管/石墨烯复合电极的脱盐性能。本发明方法具有成本低、过程简单、易于操作、可批量生产等优点。
发明内容
本发明的目的是克服单纯石墨烯及简单液相超声混合制备的碳纳米管/石墨烯纳米复合电极的缺点,将石墨烯和碳纳米管两种碳材料的优点结合起来,碳纳米管有序柱状生长在石墨烯中间可以极大地提高电极材料的比表面积和导电性,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。提供一种高性能的电容型脱盐电极及其制备方法,该电极可以用于可应用于海水和苦碱水的淡化,工、农业生产和生活用水(地下水)的软化。
本发明涉及碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米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。本发明制备通过化学气相沉积法在石墨烯表面均匀生长碳纳米管,实现低成本、大规模制备碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合材料。碳纳米管/石墨烯、聚四氟乙烯乳液混合均匀涂抹在石墨纸上,烘干后即制得了碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极。本发明低成本,能耗小,易于操作。在电容型脱盐方面拥有潜在的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术手段和措施来达到的。
碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法,其特征在于本发明包括以下步骤:
(1) 在冰水浴条件下,将石墨在搅拌下缓慢加入到质量分数98%浓硫酸中,再缓慢加入高锰酸钾,其中石墨:浓硫酸:高锰酸钾的质量比为1:40~100:2~8,在32-38℃恒温水浴中,搅拌下保温1-6 h,反应结束后,缓慢加入去离子水稀释,搅拌几分钟,按石墨:H2O2的质量比为1:7~10加入质量分数30%的H2O2,静置后过滤,充分洗涤滤饼,洗涤至中性,室温下干燥。超声得到氧化石墨溶胶,其中氧化石墨溶胶的固含量为0.1 -10 mg/mL。逐滴加入过渡金属盐溶液,80-100℃反应10-24h,干燥后,在惰性气氛下300-400℃煅烧60-120 min,还原气氛下500-700 ℃还原0.5-1h,通入碳源气,控制气流量在20-80mL/min, 700-900 ℃反应5-30 min,酸化处理除去过渡金属催化剂和多余的杂质得到碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合材料;
(2)碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备过程:将步骤(1)所得的碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合材料,加入质量分数为5-15%的聚四氟乙烯乳液粘结剂,混合均匀后涂抹到石墨电极纸上,随后在100-110 ℃烘干过夜,制得碳纳米管/石墨烯复合脱盐电极。
上述复合电极材料中碳纳米管均匀撑在石墨烯层间构成三明治结构,碳纳米管的一端连接剥离的石墨烯。剥离的氧化石墨表面官能团丰富,在溶液中分散性较好,表面能较高基底和催化剂之间的结合力较强,有利于催化剂在基底上的均匀分散,底端生长模式起主导从而保证碳纳米管的均匀生长和生长的一致性,且剥离的氧化石墨易于被还原为石墨烯。
上述碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备过程中所用过渡金属盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍一种或多种组合,其中过渡金属盐与氧化石墨的质量比为0.5-3;碳源气是可以催化裂解为碳的气体。
具体实施方式
    现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
在冰水浴条件下将3 g石墨在搅拌下缓慢加入到120 mL浓硫酸中,再缓慢加入14 g高锰酸钾,在35 ℃恒温水浴中,搅拌下保温2 h,反应结束后,缓慢加入500 mL去离子水稀释,搅拌几分钟,加入20 mLH2O2,静置后过滤,充分洗涤滤饼,洗涤至中性,室温烘干。室温下干燥。取0.1 g氧化石墨加入100 mL去离子水,混合超声0.5 h,氧化石墨溶胶的固含量为1 mg/mL,逐滴加入硝酸镍溶液,其中硝酸镍与氧化石墨的质量比为3,80 ℃加热搅拌10h,抽离干燥。在惰性气氛下400 ℃煅烧90 min,还原气氛下550 ℃还原0.5 h,通入甲烷,控制气流量为80 mL/min,800 ℃反应15 min即可,酸化处理除去催化剂和多余的杂质得到碳纳米管/石墨烯复合材料。将所得的碳纳米管/石墨烯,质量分数为10%聚四氟乙烯混合均匀后涂抹到石墨电极纸上,随后在100-110℃烘干过夜。最终得到碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极。
测试上述碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的脱盐性能,在25 ppm的盐水中,两端施加1.8 V的电压,其脱盐效率为大于80%。
实施例2
在冰水浴条件下将3 g石墨在搅拌下缓慢加入到120 mL浓硫酸中,再缓慢加入7 g高锰酸钾,在35 ℃恒温水浴中,搅拌下保温3 h,反应结束后,缓慢加入500 mL去离子水稀释,搅拌几分钟,加入25 mLH2O2,静置后过滤,充分洗涤滤饼,洗涤至中性,室温烘干。室温下干燥。取0.05 g氧化石墨加入100 mL去离子水,混合超声0.5 h,氧化石墨溶胶的固含量为0.5 mg/mL,逐滴加入硝酸钴溶液,其中硝酸钴与氧化石墨的质量比为0.5,95 ℃加热搅拌20 h,抽离干燥。在惰性气氛下350 ℃煅烧60 min,还原气氛下650 还原10 min,通入乙烯,控制气流量为60 mL/min,750℃反应15 min即可,酸化处理除去催化剂和多余的杂质得到碳纳米管/石墨烯复合材料。将所得的碳纳米管/石墨烯、质量分数为8%的聚四氟乙烯混合均匀后涂抹到石墨电极纸上,随后在100-110℃烘干过夜。最终得到碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极。
测试上述碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极测试其脱盐性能,在40 ppm的盐水中,两端施加1.6 V的电压,其脱盐效率大于70%。
实施例3
在冰水浴条件下将2 g石墨在搅拌下缓慢加入到120 mL浓硫酸中,再缓慢加入14 g高锰酸钾,在35℃恒温水浴中,搅拌下保温2 h,反应结束后,缓慢加入500 mL去离子水稀释,搅拌几分钟,加入20 mLH2O2,静置后过滤,充分洗涤滤饼,洗涤至中性,室温烘干。室温下干燥。取0.6 g氧化石墨加入200 mL去离子水,混合超声0.5 h,氧化石墨溶胶的固含量为3mg/mL,逐滴加入硝酸铁溶液,其中硝酸铁与氧化石墨的质量比为1,85℃加热搅拌12 h,抽离干燥。在惰性气氛下300℃煅烧120 min,还原气氛下650℃还原0.5 h,通入乙炔,800℃,控制气流量为70 mL/min,反应15 min即可,酸化处理除去催化剂和多余的杂质得到碳纳米管/石墨烯复合材料。将所得的碳纳米管/石墨烯、质量分数为8%的聚四氟乙烯混合均匀后涂抹到石墨电极纸上,随后在100-110℃烘干过夜。最终得到碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极。
测试上述碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极其脱盐性能,在25 ppm的盐水中,两端施加2.0 V的电压,其脱盐效率大于90%。

Claims (3)

1.碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法,其特征在于该方法具有以下步骤:
(1)电极材料的制备:在冰水浴条件下,将石墨在搅拌下缓慢加入到质量分数98%浓硫酸中,再缓慢加入高锰酸钾,其中石墨:浓硫酸:高锰酸钾的质量比为1:40~100:2~8,在32-38℃恒温水浴中,搅拌下保温1-6 h,反应结束后,缓慢加入去离子水稀释,搅拌几分钟,按石墨:H2O2的质量比为1:7~10加入质量分数30%的H2O2,静置后过滤,充分洗涤滤饼,洗涤至中性,室温下干燥;超声得到氧化石墨溶胶,其中氧化石墨溶胶的固含量为0.1 -10 mg/mL;逐滴加入过渡金属盐溶液,所用的过渡金属盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍一种或多种组合,其中过渡金属盐与氧化石墨的质量比为0.5-3;80-100℃反应10-24h,干燥后,在惰性气氛下300-400℃煅烧60-120 min,还原气氛下500-700℃还原0.5-1h,通入碳源气,控制气流量在20-80mL/min, 700-900℃反应5-30 min,酸化处理除去过渡金属和多余的杂质得到碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合材料;
(2)碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备过程:将步骤(1)所得的碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合材料,加入质量分数为5-15%的聚四氟乙烯乳液的粘结剂,混合均匀后涂抹到石墨电极纸上,随后在100-110℃烘干过夜,制得碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法,其特征在于所述的碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合材料中碳纳米管均匀撑在石墨烯层间构成三明治结构,碳纳米管的一端连接剥离的石墨烯。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管/石墨烯三明治结构纳米复合电容型脱盐电极的制备方法,其特征在于用于该电极材料制备的碳源气是能够催化裂解为碳的气体。
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