CN105110430A - 一种海水除盐用石墨烯多孔电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海水除盐用石墨烯多孔电极材料和其制备方法，其以石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布为原料，经预氧化热处理和高温碳化得到纳米碳纤维与石墨烯均匀、连续分布的多孔电极材料，由石墨烯和直径150-400nm的纳米碳纤维构成，其比表面积120-437m2/g，孔径2-100nm。石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布采用静电纺丝法制备，工艺过程简单，降低了制造成本。制备的电极材料有高的离子容量和良好的导电性和耐腐蚀性，特别适合海水淡化除盐用。

Description

一种海水除盐用石墨烯多孔电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电极材料及其制备方法，具体地说是一种海水除盐用石墨烯多孔电极材料及其制备方法。
背景技术
随着水污染日益严重，加上工业废水的处理利用困难，淡水资源变得形式严峻。海洋虽然拥有丰富的水资源，但盐度高，一般不能直接工业或生活应用。因此，目前迫切需要海水脱盐淡化新技术。
目前海水除盐技术包括蒸馏法和电容去离子法。蒸馏法虽然能够大规模进行海水脱盐，但由于在海水脱盐过程中会消耗大量能量，一般海水淡化的成本较高。电容去离子法采用低压直流电容技术对海水中的带电离子进行双电层吸附达到除盐净化的目的。该方法能耗低、除盐迅速、安全可靠是目前大力发展的海水除盐技术。但电容去离子法采用的电极材料一般耐腐蚀性较差、受比表面积的限制，除盐容量一般都不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种组成合理，具有高的离子容量和良好的导电性和耐腐蚀性，制备工艺简便的海水除盐用石墨烯多孔电极材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种海水除盐用石墨烯多孔电极材料，其特征在于：其以石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布为原料，经预氧化热处理和高温碳化得到纳米碳纤维与石墨烯均匀、连续分布的多孔电极材料，其比表面积120~437m2/g，孔径2-100nm。
本发明上述海水除盐用石墨烯多孔电极材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)制备石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布以聚丙烯腈（PAN）粉末、石墨烯、无水氯化锂(LiCl)、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为原料，配制均匀粘稠的黑色石墨烯/聚丙烯腈分散液，其中聚丙烯腈（PAN）粉末质量含量为（以下同）10-15%、石墨烯0.1~2.5%、无水氯化锂(LiCl)1-2.6%、其余为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）；将制备的石墨烯/聚丙烯腈分散液进行静电纺丝；纺丝参数采用电压20-25kV，纺丝距离15-25cm，纺丝时间6-20h，制备得到石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布；
(2)对上述石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布进行预氧化热处理，以2-6℃/min从室温升至180-200℃，再以1-5℃/min升至250-300℃，保温0.5-1h，随炉冷却至室温，形成热固性的石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布；而后对预氧化处理后的石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布进行高温碳化处理，在氮气保护气氛下，以5-10℃/min升温至800-1100℃，并保温1-2h进行碳化，制备出石墨烯多孔电极材料。
所述石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布预氧化热处理采用不锈钢筛网为衬底，用夹子将该毡布固定在不锈钢筛网上。
本发明制备得到的石墨烯多孔电极材料，对海水除盐有显著效果。添加石墨烯后的多孔电极材料整体导电性好，不需要粘结剂补强，并且石墨烯的添加大大增加了多孔电极材料的比表面积和电导率。石墨烯多孔电极材料主要成分是碳元素，耐腐蚀性远优于传统的金属电极材料。
附图说明
图1是本发明石墨烯多孔电极材料的SEM照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
一种海水除盐用石墨烯多孔电极材料，其以石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布为原料，经预氧化热处理和高温碳化得到纳米碳纤维与石墨烯均匀、连续分布的多孔电极材料，其由直径150-400nm的纳米碳纤维和均匀分布的石墨烯材料构成，比表面积120~437m2/g，孔径2-100nm。
本发明上述海水除盐用石墨烯多孔电极材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)制备石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布以聚丙烯腈（PAN）粉末、石墨烯、无水氯化锂(LiCl)、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为原料，配制均匀粘稠的黑色石墨烯/聚丙烯腈分散液，其中聚丙烯腈（PAN）粉末质量含量为（以下同）10-15%、石墨烯0.1~2.5%、无水氯化锂(LiCl)1-2.6%、其余为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）；将制备的石墨烯/聚丙烯腈分散液进行静电纺丝；纺丝参数采用电压20-25kV，纺丝距离15-25cm，纺丝时间6-20h，制备得到石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布；
(2)对上述石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布进行预氧化热处理，以2-6℃/min从室温升至180-200℃，再以1-5℃/min升至250-300℃，保温0.5-1h，随炉冷却至室温，形成热固性的石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布；而后对预氧化处理后的石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布进行高温碳化处理，在氮气保护气氛下，以5-10℃/min升温至800-1100℃，并保温1-2h进行碳化，制备出石墨烯多孔电极材料。
制备的石墨烯多孔电极材料的照片如下图1所示。
实施例1：一种海水除盐用石墨烯多孔电极材料的制备方法，
（1）制备石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布：首先进行静电纺丝液的配制，以聚丙烯腈（PAN）粉末质量含量12%、石墨烯质量含量0.2%、无水氯化锂(LiCl)质量含量1%、其余为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液。用量筒量取DMF溶液200ml(密度为0.945-0.950g/ml)倒入烧杯中，放入磁力搅拌转子并置于磁力搅拌器上开始搅拌。称量石墨烯0.2g缓慢倒入烧杯中搅拌1h后再超声1h，然后称量PAN粉末31.2g缓慢倒入上述混合溶液中，并称量0.6g无水氯化锂倒入烧杯中，用保鲜膜密封烧杯口，加热半个小时后温度到达60℃，继续搅拌2个小时后停止搅拌，超声1h后，放于阴凉处静置。静电纺丝电压20kV，纺丝距离10cm，在自制转筒多针头静电纺丝设备上进行静电纺丝，获得石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布。
（2）石墨烯/多孔电极材料的制备。首先对石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布进行预氧化热处理，获得热固性无纺毡布。采用不锈钢筛网为衬底，原因是其可以保证纤维能够受热均匀，并且与氧气充分接触。为保持原有的宏观形态不变，原丝毡布周围用夹子固定，并以2℃/min从室温升至200℃，再以1℃/min升至250℃，保温1h，随炉冷却至室温。进而对经预氧化的石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布碳化处理。在氮气气氛下（纯度：99.99-99.999%），以5℃/min升温至800℃进行碳化，最后获得石墨烯多孔电极材料。
实施例2一种海水除盐用石墨烯多孔电极材料的制备方法，
（1）制备石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布：首先进行静电纺丝液的配制，以聚丙烯腈（PAN）粉末质量含量15%、石墨烯质量含量2.0%、无水氯化锂(LiCl)质量含量2.6%、其余为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液。用量筒量取DMF溶液200ml(密度为0.945-0.950g/ml)倒入烧杯中，放入磁力搅拌转子并置于磁力搅拌器上开始搅拌。称量石墨烯2.2g缓慢倒入烧杯中搅拌1h后再超声1h，然后称量PAN粉末31.2g缓慢倒入上述混合溶液中，并称量2.2g无水氯化锂倒入烧杯中，用保鲜膜密封烧杯口，加热半个小时后温度到达60℃，继续搅拌3个小时后停止搅拌，超声1h后，放于阴凉处静置。静电纺丝电压25kV，纺丝距离22cm，在自制转筒多针头静电纺丝设备上进行静电纺丝，获得石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布。
（2）石墨烯/多孔电极材料的制备。首先对石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布进行预氧化热处理，获得热固性无纺毡布。采用不锈钢筛网为衬底，原因是其可以保证纤维能够受热均匀，并且与氧气充分接触。为保持原有的宏观形态不变，原丝毡布周围用夹子固定，并以6℃/min从室温升至200℃，再以1℃/min升至300℃，保温1h，随炉冷却至室温。进而对经预氧化的石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布碳化处理。在氮气气氛下（纯度：99.99-99.999%），以10℃/min升温至1100℃进行碳化，最后获得石墨烯多孔电极材料。
为进一步阐明石墨烯多孔电极材料的具体应用，下面以制备出的石墨烯多孔电极材料做为电容去离子电极，进行海水除盐实验：
将纳米复合碳纤维/石墨烯电极以正负极依次交错的形式接入直流稳压电源，从而使电极为正极负极依次交错分布。实验时将适量配好的一定浓度的氯化钠溶液置于进水水箱中，经过可调节蠕动泵以一定的流速向电吸附反应器中流动。在出水处，每隔一定的时间（30s）取水出并测定出水电导率。实验在常温下进行，首先是电吸附反应，当吸附进行一段时间后，出水电导率降低到一定值，达到吸附平衡，此时将电源断开，并将正负极短接，再继续进行脱附反应，直至出水电导率与进水电导率基本相同，这就是一个完整的电吸附过程。

Claims (3)

1.一种海水除盐用石墨烯多孔电极材料，其特征在于：其以石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布为原料，经预氧化热处理和高温碳化得到纳米碳纤维与石墨烯均匀、连续分布的多孔电极材料，其比表面积120~437m2/g，孔径2-100nm。
2.一种权利要求1所述的海水除盐用石墨烯多孔电极材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)制备石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布以聚丙烯腈粉末、石墨烯、无水氯化锂、N,N-二甲基甲酰胺为原料，配制均匀粘稠的黑色石墨烯/聚丙烯腈分散液，其中聚丙烯腈粉末质量含量为10-15%、石墨烯0.1~2.5%、无水氯化锂1-2.6%、其余为N,N-二甲基甲酰胺；将制备的石墨烯/聚丙烯腈分散液进行静电纺丝；纺丝参数采用电压20-25kV，纺丝距离15-25cm，纺丝时间6-20h，制备得到石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布；
(2)对上述石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布进行预氧化热处理，以2-6℃/min从室温升至180-200℃，再以1-5℃/min升至250-300℃，保温0.5-1h，随炉冷却至室温，形成热固性的石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布；而后对预氧化处理后的石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布进行高温碳化处理，在氮气保护气氛下，以5-10℃/min升温至800-1100℃，并保温1-2h进行碳化，制备出石墨烯多孔电极材料。
3.根据权利要求2所述的海水除盐用石墨烯多孔电极材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯/聚丙烯腈复合无纺毡布预氧化热处理采用不锈钢筛网为衬底，用夹子将该毡布固定在不锈钢筛网上。
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