CN104335291A - 电极和应用 - Google Patents
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Abstract
本文公开的是包括位于薄片的至少一个表面上的电容性碳材料的电极。所述电容性碳材料通常包括功能化超长碳纳米管和可选地具有足够高的活性表面面积的另一碳同素异形体或碳同素异形体的混合物。还公开了形成此类电极的方法。
Description
本公开针对电极和制造电极的方法。更特别地，本公开是在包括包含超长（ultra-long）碳纳米管的碳纳米管的电极的技术领域中。在一个实施例中，本公开针对包括碳纳米管的用于电子设备、高频信号电缆、电容器和电化学电池的电极。在另一实施例中，本公开针对包括碳纳米管的要被用于电容性（capacitive）脱盐和水软化应用的电极。
本文公开的新型电极和制造所述电极的方法解决了现有技术的基于碳的电极的缺点。一般地，材料选择和制造操作在存在电磁场或施加电压的情况下的电极的方法使得根据应用而可用于电磁场的导电性和表面面积（area）两者被最大化至可能的最大程度。
然而，在现有技术的电极中，为了使一个特性最大化，人们将必须牺牲另一个。例如，其他电极材料可包括这样的材料和合金：其给设备或系统增加重量，并且易受加工硬化和氢脆。在另一示例中，从高表面面积活性碳粉组装电极通常要求使用粘合剂（binder）。这固有地导致由于被粘合剂（在大多数情况下为聚合树脂）覆盖而引起的活性（active）表面面积损失。在范围（spectrum）的另一端，没有粘合剂的电极通常展现出相对低的表面面积，是易碎的、脆的且具有低强度。在涉及包含溶解固体的水的应用中结合金属材料的电极的使用由于腐蚀性而受到限制，并且将要求使用昂贵金属，诸如Pt或Au。
碳纳米管的进步、特别地超长碳纳米管以及碳气凝胶和活性碳的发展已使得全碳电极的构造成为可能，所述全碳电极的电容性层展示出良好的机械完整性，并且能在不使用类似聚合树脂之类的粘合剂的情况下被附连于石墨薄片基底。因此，本发明人已经发现可能制造用于电子设备、高频信号电缆、电容器以及用于电容性脱盐和水软化应用的电极和电容性元件。本公开还涉及制造此类电极的方法。电极包含超长碳纳米管和另一高表面面积碳材料，诸如碳黑或碳气凝胶。包含所述超长碳纳米管和另一高表面面积碳材料（诸如碳黑或碳气凝胶）的混合物被沉积到石墨薄片上，其充当集电器（current
collector）。
发明内容
公开了抗腐蚀电极，包括：包含至少5%的功能化超长碳纳米管的电容性含碳材料，所述超长碳纳米管的长度范围从0.1mm至250mm，其中大多数超长碳纳米管以电容方式（capacitively）相互耦合。在一个实施例中，电极的拉伸强度（tensile strength）范围从10mPa至300GPa。
还公开了电极，其中电容性含碳材料还包括（a）碳的至少一个其他同素异形体（allotrope），具有至少比500 m2/g的表面面积，（b）具有纤维（fibrous）或粒状（granular）形态的至少一个其他材料，或者（a）和（b）的组合。
在另一实施例中，所公开的电极还可包括石墨片基底以及被附连于所述石墨片的金属箔，其中金属箔可选地包含被附连于所述金属箔以连接到电路的至少一个导线。
还公开了制造本文所述的抗腐蚀电极的方法。在一个实施例中，所述方法包括：
——形成（a）含碳混合物，其通过在液体介质中分散和/或混合本文所述的功能化超长碳纳米管、可选地包括具有至少比500m2/g的表面面积的碳的至少一个其他同素异形体和/或具有纤维或粒状形态的至少一个其他材料来形成，和/或用作基底和集电器的石墨片；
——清洁石墨片的表面，继之以使片材的表面粗糙化以形成经处理的石墨片基底；
——将混合物沉积到所述经处理的石墨片基底的至少一个表面上；
——将含碳混合物压到所述经处理的石墨片基底的至少一个表面上以形成电极；
——至少部分地干燥被沉积到经处理的石墨片基底上且形成电极的碳混合物；以及
——在至少两个刚性板之间夹持（clamping）电极，继之以至少一个加热步骤。
在一个实施例中，所述方法允许电容性碳材料经由机械和分子水平力的组合而粘附到经处理的基底的表面。
根据以下结合附图进行的示例性实施例的详细描述，本公开的前述及其他特征将更容易显而易见。应注意的是，为了方便起见，设备的所有例示示出了相对于宽度被放大的高度尺寸。
附图说明
图1是组成本发明的实施例的电极的透视图。
图2是包含本发明的实施例的两个电极的板状单元的透视图。
图3是九个互连的图2 的板状单元的堆叠的透视图，每个单元包含本发明的实施例的两个电极。
图4是示出C-18链到碳纳米管表面上的附连的TGA实验。
图5：与CNANO碳纳米管膜[A]CNT-HCL功能化；[B]原始CNT：机械-化学功能化；[C]CNT-硬脂酸功能化的水接触角。
具体实施方式
定义
在本公开中使用的以下术语或短语具有以下概述的意义：
术语“纳米管”指的是通常平均直径在包括端点的范围1-60 nm内且平均长度在包括端点的范围0.1μm至250 mm内的管状分子结构。
术语“碳纳米管”或其任何变体（version）指的是主要由以六方晶格（石墨烯片（graphene
sheet））布置的碳原子组成的管状分子结构，所述六方晶格使自身封闭以形成无缝圆柱形管的壁。这些管状片材能单独地（单壁）或者作为许多嵌套层（多壁）发生以形成圆柱形结构。
术语“官能团”被定义为提供特定行为的任何原子或化学基团。术语“功能化”被定义为将官能团添加到纳米管的表面和/或可改变纳米管的诸如ζ电位（zeta potential）之类的性质的附加纤维。
术语“熔合的（fused）”、“熔合（名词）”或词语“熔合（动词）”的任何变体被定义为纳米管、纤维或其组合在它们的一个或多个接触点的键合。例如，此类键合能是包括sp3杂化的碳-碳化学键合，或者碳与其他原子的化学键合。
术语“交联（interlink）”、“交联的”或词语“链接（link）”的任何变体被定义为纳米管和/或其他纤维通过机械、电或化学力被连接成更大结构。例如，此类连接能是由抵抗分离的大的、缠结（intertwined）、结状（knot-like）结构的创建而引起的。
术语“纳米结构化（nanostructured）”和“纳米级”指的是拥有至少一个维度为100
nm或更小的组分的结构或材料。Joel I. Gersten和Frederick W. Smith在Wiley
publishers出版的The Physics and Chemistry of Materials（材料物理和化学）一书第382-383页中提供了对纳米结构的定义，通过对该定义的引用将其结合到本文中。
短语“纳米结构化材料”指的是其组分具有这样的布置的材料：其至少一个特征长度尺度（scale）为100纳米或更小。短语“特征长度尺度”指的是布置内的模式的尺寸的测量，诸如但不限于在结构内产生的孔的特征直径、纤维之间的间隙距离或相继纤维交叉点之间的距离。该测量还可通过诸如给出表征材料内的长度尺度的多级信息的主成分或谱分析之类的应用数学方法来完成。
术语“纳米网（nanomesh）”指的是以上定义的纳米结构化材料，并且其还是多孔的。例如，在一个实施例中，纳米网材料通常被用作过滤介质，并且因此必须是多孔的或者对意图净化的流体是可渗透的。
单独地或结合“尺度”的术语“大”或“宏观”指的是包括以上定义的纳米结构化材料的材料，其通过使用本文所述的方法已经被制造成至少两个维度大于1 cm。此类宏观尺度纳米结构化材料的非限制性示例是1平方米的纳米结构化材料的片材或被连续地制造成至少100米的长度的纳米结构化材料卷（roll）。根据用途，大尺度或宏观尺度意图表示大于10 cm或100 cm或者甚至1米，诸如当用来定义经由批量过程制造的材料的尺寸时。当用来描述连续或半连续方法时，大尺度制造能涵盖具有大于一米、诸如大于一米且高达一万米长的长度的材料的生产。
短语“活性材料”被定义为负责特定活动的材料，所述特定活动例如是从流体去除污染物，无论是用物理、化学、生化还是催化手段。相反地，“无源（passive）”材料被定义为惰性类型的材料，例如当被用作过滤介质时并未展示出促进去除污染物的化学性质的材料。
短语“高表面面积碳”意图意指具有通过室温或0.0℃温度下的二氧化碳气体的吸附等温线确定的大于500 m2/g的表面面积的碳（包括其任何同素异形体）。在一个实施例中，高表面面积碳的表面面积大于1000 m2/g或者高达且包括2500 m2/g。在一个实施例中，高表面面积碳可以是500 m2/g与2500 m2/g的范围之间的任何数，包括从500 m2/g开始的增量为50 m2/g的数和2500
m2/g。在一个实施例中，高表面面积碳可以是活性碳，其中，可单独地从高表面面积获得足以在本申请中有用的活性水平；然而，可执行进一步化学处理以增强有用的性质，诸如吸附性质。
术语“纤维”或其任何变体被定义为长度L且直径D以使得L大于D的对象，其中，D是其中铭刻（inscribe）纤维的截面的圆的直径。在一个实施例中，所使用纤维的纵横比L/D（或形状因数）可在从2:1至100:1范围。在本公开中所使用的纤维可包括由一个或许多不同组分组成的材料。
术语“颗粒（particulate）”或其任何变体被定义为其尺寸大致在所有方向上为相同数量级的对象。
前缀“纳米”（如在“碳纳米管”中）指的是拥有的至少一个维度在约十亿分之一米（10-9米）至10亿分之一米的100倍（10-7米）量级的对象。本文所述的碳纳米管一般地具有的平均直径在包括端点的从约1-60
nm范围和平均长度在包括端点的从0.1 mm至250 mm、通常从1 mm至10 mm范围。
“经处理的基底”指的是这样的石墨片：首先例如用清洁剂来清洁其表面；然后例如用水来漂洗；干燥；然后例如用乙醇再次漂洗；并且例如使用60粒度（grit）砂纸来粗糙化以产生超长碳纳米管附连到其上的粗糙度（asperity）。
术语“流体”意图涵盖液体或气体。
短语“加载的载体流体”指的是还包括至少碳纳米管和本文所述的可选组分（诸如玻璃纤维）的载体流体。
术语“污染物”意指流体中的至少一种不想要或不期望的元素、分子或有机体。在一个实施例中，污染物包括水中的盐。
术语“去除”（或其任何变体）意指使用以下机制中的至少一个来破坏、修改或分离污染物：颗粒尺寸排阻、吸收、吸附、化学或生物相互作用或反应。
短语“化学或生物相互作用或反应”被理解成意指通过使得污染物不能引起伤害的化学或生物过程而与污染物进行的相互作用。其示例是还原、氧化、化学变性、对微生物的物理损坏、生物分子、摄取以及包装（encasement）。
术语“颗粒尺寸”由数量分布，例如由具有特定尺寸的颗粒的数量，来定义。通常用显微技术来测量该方法，诸如用已校准光学显微镜、用已校准聚苯乙烯珠、用已校准扫描探针显微镜扫描电子显微镜或光学近场显微镜。Walter
C. McCrone等人在Principles and Techniques（原理和技术）第二版 (Ann Arbor Science Pub.)第1卷的The Particle
Atlas (An encyclopedia of techniques for small particle identification) （The Particle Atlas, (An encyclopedia of techniques for
small particle identification), Vol. I, Principles and Techniques, Ed. 2 (Ann
Arbor Science Pub.)）中教导了本文所述的测量各尺寸的颗粒的方法，其被通过引用结合到本文中。
短语“抗腐蚀”指的是这样的材料：对于其而言腐蚀在热力学上不利和/或具有在正常条件下对电化学腐蚀有效免疫的此类慢动力学。一个示例是石墨和碳的其他同素异形体。
本文所使用的短语“从...中选择”或“选自”指的是单独组分或两个（或更多）组分的组合的选择。例如，纳米结构化材料能包括这样的碳纳米管：其是被浸渍、被功能化、被掺杂、被充电、被涂覆和有缺陷的碳纳米管中的仅一个或者是任何或所有这些类型的纳米管的混合，诸如施加于纳米管的不同处理的混合。
在一个实施例中，公开了抗腐蚀电极，其包括：包含至少5%的长度范围从0.1mm至250mm的功能化超长碳纳米管的电容性含碳材料，其中，大多数所述超长碳纳米管以电容方式相互耦合，其中所述电极的拉伸强度范围从10mPa至300GPa。
在另一实施例中，公开了包括石墨片基底的抗腐蚀全碳电极，所述石墨片基底的至少一侧已经附加有含碳材料，其中，含碳材料包括以下项中的至少两项：（1）功能化超长碳纳米管，（2）具有足够高的活性表面面积的碳的其他同素异形体，以及可选地（3）其他纤维或颗粒材料。
功能化超长碳纳米管通常长于0.5 mm，诸如从0.1
mm至250 mm。另外，碳的其他同素异形体通常具有大于1000
m2/g（诸如从1000至2500 m2/g）的活性表面面积。
在一个实施例中，超长碳纳米管材料可采取线、缆、织物织品（woven fabric）、非织物材料、3D印刷部件（part）、3D织物形式或其任何组合的几何形式。这些几何形式可支持在从10Hz至50THz的频率下高达3×109A/cm2的电流密度。
在一个实施例中，电容性含碳材料在其两端具有从1 nV至10 kV范围的电压。
还公开了制造这些类型的电极的方法。在一个实施例中，所述方法包括：
a）通过在液体介质中分散和/或混合（1）功能化超长碳纳米管，（2）具有足够高的活性表面面积的碳的至少一个其他同素异形体以及可选地（3）附加纤维或颗粒材料来形成含碳混合物；
b）例如首先用实验室级清洁剂和水且然后用乙醇对石墨片的表面进行脱脂，继之以例如使用60粒度砂纸来使片材表面粗糙化，以产生超长碳纳米管能够附连到其上的粗糙度；
c）将所述混合物沉积在经处理的石墨片基底的至少一个表面上；
d）将含碳混合物压到经处理的石墨片基底的至少一个表面上以形成电极；
e）至少部分地干燥被沉积到导电基底上的碳混合物；
f）在两个刚性板之间夹持电极并对其进行热处理；
g）例如用漆（lacquer）涂层来覆盖电极的背面。
根据本公开的一个实施例，基于碳纳米管的电极包括：
a）电容性碳层，包括：（1）功能化超长碳纳米管，（2）具有足够高的活性表面面积的其他碳同素异形体，诸如活性碳和/或碳气凝胶，以及可选地（3）其他纤维和/或颗粒材料；
b）经处理的基底，其一侧附加有电容性碳层；
c）金属箔，经由电镀和焊接而被附连于经处理的基底的自由表面；以及
d）被附连于金属箔以使得电极能够被连接在电路中的至少一个导线。
在一个实施例中，功能化超长碳纳米管长于约0.5 mm，诸如从约0.1
mm至约250 mm，通常在约1 mm与约10 mm之间。另外，促进电极的总电容的碳的其他同素异形体具有大于约500 m2/g（诸如从约1000至约2500 m2/g）的活性表面面积。
在一个实施例中，碳的同素异形体采取粉末形式，并且以等于或大于双层电容的每一法拉一克的量存在于含碳材料中。例如，在一个实施例中，含碳材料的每单位质量的电容在从约80至约120 法拉/克范围。
在另一实施例中，超长碳纳米管以粉末形式的碳的所有其他同素异形体的总质量的至少5%的量存在于含碳材料中。
在一个实施例中，本文公开的电极按如下操作。将一对所述电极放置在包含溶解固体的水中，所述电极相应的高表面面积碳层相互面对且被分离以使得在它们之间存在小的间隙。在施加电位差（电压）下，溶液中的离子朝着相反极性的电极移动，在电极-液体界面（双层）处产生富离子层。随后，电极之间的水变得较少为离子杂质污染。在去除施加电压或使极性反向时，离子返回到溶液，释放存储在双层中的能量。
较高的电极表面面积是期望的，因为其能够吸引更多离子且随后增加从经处理的水去除离子的速率。
在一个实施例中，可使用隔离（spacer）材料来在允许水占据电极之间的空间的同时将电极分离。
在另一实施例中，可与离子交换膜和隔离材料相结合地使用电极。
不同于现有技术电极，根据本公开的一个实施例的电极的独特性质是由于其主要由碳（除在干燥侧的金属条之外）制成，所以其不容易腐蚀且能够在诸如盐或淡盐水之类的腐蚀性环境中使用。此类性质对于脱盐应用而言是期望的。
另一独特性质是包含超长碳纳米管和至少一个其他高表面面积碳同素异形体的电容性碳层在没有任何类似于树脂的粘合剂的情况下借助于碳纳米管与在经处理的基底的表面上产生的粗糙度之间的机械和表面力（范德华型）而被附连于经处理的基底。
还公开了制造这些类型的电极的方法。在一个实施例中，所述方法包括：
a）通过在液体介质（例如酒精（例如乙醇、甲醇、丙醇及其组合）、水、或其组合）中分散和/或混合（1）功能化超长碳纳米管，（2）具有足够高的活性表面面积的碳的至少一个其他同素异形体以及可选地（3）其他纤维和或颗粒材料，来形成含碳混合物；
b）例如首先用实验室级和水且然后用乙醇来清洁石墨片的表面，继之以例如使用60粒度砂纸来使片材表面粗糙化，以产生碳纳米管将附连到其上的粗糙度；
c）向诸如织物或非织物聚合物织品之类的牺牲多孔基底上沉积混合物；
d）将具有碳混合物的牺牲基底附加于经处理的石墨箔，使得碳混合物与经处理的基底接触；
e）将含碳混合物压到经处理的基底的至少一个表面上以形成电极；
f）至少部分地干燥被沉积到经处理的基底上的碳混合物；
g）在两个刚性板之间夹持电极并对其进行热处理；
h）例如用漆涂层来覆盖电极的背面。
在一个实施例中，可在空气中或在惰性气氛中在从100-300℃范围的温度下将电极加热达从10-40分钟范围的时间。
如先前所解释的，通过使用被定义为具有约0.1 mm至约250
mm或通常从约1 mm至约10 mm的长度的超长碳纳米管，包含所述功能化超长碳纳米管和至少一个其他高表面面积碳同素异形体的电容性碳层经由机械相互作用和分子水平力而不是粘合剂而粘附于经处理的基底的表面。
通过以下非限制性示例来进一步例示本公开，其意图纯粹是本公开的示例。
示例
A.
电极制造
在一个实施例中，如下制造根据本公开的电极。
首先通过用加热至80℃的浓硝酸对具有从1 mm至5 mm范围的长度的碳纳米管进行漂洗达30-45分钟而将其功能化。该酸处理导致主要羧基和羟基基团到纳米管表面的附连。
包括之前功能化的超长碳纳米管和具有从1500至1800
m2/g范围的表面面积的高表面活性碳（Nuchar®
RGC Powder Carbon, MeadWestVaco, Richmond, VA）的碳材料分散在乙醇中并沉积到非织物聚合物纤维布（
cloth）上。
将具有碳层的布放置在经处理的基底（厚度0.4 mm）之上，其中碳层与经处理的基底接触。经处理的基底是石墨箔，首先使用实验室级清洁剂和水来对其表面进行脱脂，用纸巾擦干且然后用乙醇再次漂洗。在干燥之后，使用60粒度砂纸以随机模式彻底地对石墨箔的一侧进行磨砂（sand）以产生微观表面细节。此过程与超长功能化碳纳米管相结合地辅助电容性碳层以在不使用粘合剂的情况下粘附于经处理的石墨箔基底。
石墨箔基底、碳混合物层以及牺牲基底的该分层结构被部分地干燥并且然后通过使用两个平坦不锈钢板之间的液压机而被挤压。施加50至60 kN力达约30至60秒。然后从液压机去除该组件并像张贴物一样剥去聚合物布以将被粘附于石墨箔基底的电容性碳层展现为薄的均匀黑膜。使用手压滚筒（hand
roller）进一步轻轻地卷起此碳膜。小心地去除在石墨箔基底的边缘周围突出的额外碳以产生具有被与之附连的很好地定义的碳膜的看起来干净的电极。
接下来，在织物碳纤维布的各层之间交替地放置电极并将其夹持在两个刚性不锈钢板之间。然后将此组件放置在烘箱中并将温度逐渐地升高至约200℃。将电极保持在该温度下达30-45分钟。
在热处理之后，将铜箔附连于石墨箔的自由表面以允许附连在电路中连接电极所需的导线。在铜箔的附连和导线到铜箔的后续焊接之后，用漆来涂覆石墨箔的完全自由表面，其包括铜接头（tab）。
图1示意性地示出了此类电极，包括：
（1）包含功能化超长碳纳米管、具有足够高的活性表面面积的碳的其他同素异形体以及可选地其他纤维或颗粒材料的电容性碳层；
（2）电容性碳层被沉积到其上的石墨箔基底；石墨箔充当集电器；
（3）聚合物漆层；
（4）被附连于石墨箔基底的自由侧的L形铜箔；以及
（5）被焊接到铜箔的垂直部分的导线；铜箔和箔导线接合部被完全用漆包封。
B.
电极测试方法
以下设置用于电极测试。首先，将湿润的阳离子离子交换膜放置到一个电极的电容性碳层上。同样地，将湿润的阴离子离子交换膜放置到另一电极的电容性碳层上。然后使用1.3
mm厚的双层塑料网将电极与其相应的离子交换膜间隔开，其中第一层中的纤维相对于第二层中的纤维取向为90度。
电极组件被包封在干净树脂玻璃（Plexiglas）®壳体中，其被设计成使得水可进入外壳并仅沿着网隔离层的纤维而在电极之间循环而不润湿电极的背面。包含两个基于碳纳米管的电极的该单元在本文中被称为板单元。
图2示出根据本发明的实施例的包括包含两个基于碳纳米管的电极的干净树脂玻璃®壳体的板单元的图像。该壳体被设计成使得水能够进入外壳并仅在电极之间循环。管允许单元被连接到其他单元。导线允许电极被连接到电源。
九个板单元被构建并使用柔性干净管串联地垂直，使得水可进入板单元、在电极之间移动、离开该单元并进入下一板单元。
图3示出九个类似于图2中所示那个的板单元的堆叠，使用柔性干净管而串联地使其垂直，使得水可进入板单元、在电极之间移动、离开该单元并进入下一板单元。经由导线将全部的九个单元连接到电源的极。
具有阳离子离子交换膜的所有电极被并联地连接到相同电位。在充电阶段期间，此电位是负的。
具有阴离子离子交换膜的所有电极全部被连接到相同电位。在充电阶段期间，此电位是正的。
最后，将电极中的九个连接到电源的正极，并将其他的九个连接到负极。
在电源产生约1-2 VDC的电位差的情况下，使包含氯化钠（600-700
ppm）或者氯化钙（350-360 ppm；在等效CaCO3方面表示为硬度的浓度）的固定量的水在闭合环路中以1l/min的流速通过板单元的串联组件进行循环达给定时间长度，并且利用用于氯化钠的电导计或在等效CaCO3方面用针对硬度的滴定来测量最终浓度。在一个实施例中，处理时间在从约1至8小时范围。
在规定时间之后，已发现水的盐度已从约600-700 ppm减小至12-14 ppm，而硬度从约350-360 ppm减小至2-3 ppm等效CaCO3。
使用高分辨率数字示波器来监视并记录用安装在1毫欧电阻器上的探针测量的电极上的实际电压以及通过电路的电流。
图4中所述的化学作用的目标是理解碳纳米管的化学并将其用来获得介质内的超疏水表面。结果，本发明人通过各种技术将碳纳米管功能化并评估疏水性质。测量此类性质的一个方式是通过使用在内部（in-house）特别制造以测量接触角的工具来测量功能化碳纳米管膜上的水接触角。然后测量水-CNT接触角。
图5呈现出功能化碳纳米管膜中的一些上的水接触角。具有C-18附连链的碳纳米管样品实现了152.39度的最高接触角。然而，用其他机械化学功能化技术（微流体）实现了110-135度的接触角。发现酸处理将显著减小接触角且因此不能被用于碳纳米管的功能化。然而，需要酸处理以实现在介质中的分散。因此，需要诸如C-18链式添加之类的添加反应来增强碳纳米管的接触角。通过此功能化，本发明人发现其可调节电极材料的疏水性以使应用环境所需的性质最大化。
在各种实施例中，本文所述的电极可用作以下各设备中的电容性元件：同轴电缆、陆地交通工具、海洋交通工具、航空器、太空飞行器、机器人、计算机、显示器、传感器、机械工具、电磁屏蔽、电池、电容器、液体净化设备、流体分离设备、流体过滤设备、离子分离设备、生物组分分离设备、用于水中污染物的电解质氧化的设备、用于后反渗透（post-reverse
osmosis）水的精炼（polish）的电容性去离子设备、太阳能收集设备、用于从水去除有机物的设备、辐射收集设备、用于从硬水去除矿物含量的设备、或其任何组合。
虽然前面所写的本发明的描述使得本领域的技术人员能够完成并使用目前被视为的其最佳方式，但本领域的技术人员将理解并领会到本文中的特定实施例、方法和示例的变型、组合以及等同的存在。本发明因此不应受到上述实施例、方法和示例的限制，而是受到请求保护的本发明的范围和精神内的所有实施例和方法的限制。
除非另外指明，应将在本说明书和权利要求中所使用的表示成分、反应条件等的量的所有数字理解为在所有情况下用术语“约”来修饰。因此，除相反地指明之外，在随附说明书和随附权利要求中所阐述的数值参数是根据本发明试图获得的期望性质而可改变的近似值。
Claims (20)
1.一种抗腐蚀电极，包括：
电容性含碳材料，所述电容性含碳材料包括至少5%的功能化超长碳纳米管，所述功能化超长碳纳米管具有从0.1mm至250mm范围的长度，其中大多数所述超长碳纳米管以电容方式相互耦合,
其中，所述电极具有从10mPa至300GPa范围的拉伸强度。
2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述电容性含碳材料还包括：（a）碳的至少一个其他同素异形体，其具有至少500m2/g的表面面积，（b）具有纤维或粒状形态的至少一个其他材料，或者（a）和（b）的组合。
3.根据权利要求1所述的电极，还包括石墨片基底和被附连于所述石墨片的金属箔，其中所述金属箔可选地包含被附连于所述金属箔以连接到电路的至少一个导线。
4.根据权利要求1所述的电极，其中，所述超长碳纳米管是多壁的并且具有从1 nm至60 nm范围的直径。
5.根据权利要求1所述的电极，其中，碳的所述其他同素异形体具有从1000至2500 m2/g范围的活性表面面积。
6.根据权利要求1所述的电极，其中权利要求1的电极，其中所述电容器在其两端具有从1 nV至10 kV范围的电压。
7.根据权利要求1所述的电极，其中，电容性含碳材料的每单位质量的电容的范围为80-120法拉/克。
8.根据权利要求1所述的电极，其中，所述电极能在包含溶解固体的腐蚀性水溶液中操作并且能用于脱盐应用。
9.根据权利要求1所述的电极，其中，所述电容性含碳层在不使用任何类似于树脂的粘合剂的情况下被附连于经处理的基底。
10.根据权利要求1所述的电极，其中，所述超长碳纳米管材料采取线、缆、织物织品、非织物材料、3D印刷部件、3D织物形式或其任何组合的几何形式。
11.根据权利要求10所述的电极，其中，所述几何结构支持在从10Hz至50THz的频率下高达3×109
A/cm2的电流密度。
12.根据权利要求1所述的电极，其用作以下各设备中的电容性元件：同轴电缆、陆地交通工具、海洋交通工具、航空器、太空飞行器、机器人、计算机、显示器、传感器、机械工具、电磁屏蔽、电池、电容器、液体净化设备、流体分离设备、流体过滤设备、离子分离设备、生物组分分离设备、用于水中污染物的电解质氧化的设备、用于后反渗透水的精炼的电容性去离子设备、太阳能收集设备、用于从水去除有机物的设备、辐射收集设备、用于从硬水去除矿物含量的设备、或其任何组合。
13.一种制造抗腐蚀电极的方法，所述方法包括：
——形成（a）含碳混合物，其通过在液体介质中分散和/或混合（1）功能化超长碳纳米管，（2）碳的至少一个其他同素异形体，其具有至少500 m2/g的表面面积，以及（3）具有纤维或粒状形态的至少一个其他材料，来形成，以及（b）用作基底和集电器的石墨片；
——清洁石墨片的表面，继之以使片材的表面粗糙化以形成经处理的石墨片基底；
——将混合物沉积到所述经处理的石墨片基底的至少一个表面上；
——将含碳混合物压到所述经处理的石墨片基底的至少一个表面上以形成电极；
——至少部分地干燥被沉积到所述经处理的石墨片基底上且形成所述电极的碳混合物；以及
——在至少两个刚性板之间夹持所述电极，继之以至少一个加热步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个加热步骤包括在空气或惰性气氛中20-40分钟范围的时间和100-300℃范围的温度。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电容性碳材料经由机械和分子水平力的组合而粘附于所述经处理的基底的表面。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述功能化超长碳纳米管以等于或超过碳的其他同素异形体的量的5%的量而添加到含碳材料。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述超长碳纳米管具有从0.1mm至250mm范围的长度和从1 nm至60 nm范围的直径。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，碳的所述其他同素异形体具有从1000至2500 m2/g范围的活性表面面积。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，通过使所述碳纳米管与选自以下各种酸中的至少一种酸相接触而使所述碳纳米管功能化：硝酸、硫酸、盐酸、磷酸、氢氟酸、草酸、乙酸、丙酸、丁酸、溴戊酸、己酸、硬脂酸、或其任何组合。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述超长碳纳米管从这样的表面制成：使得在所述表面上的合成过程期间，所述超长碳纳米管使其自身对准成与所述表面相垂直。
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