CN109665521A - 用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3d石墨烯及制备方法 - Google Patents
用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3d石墨烯及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109665521A CN109665521A CN201811501447.1A CN201811501447A CN109665521A CN 109665521 A CN109665521 A CN 109665521A CN 201811501447 A CN201811501447 A CN 201811501447A CN 109665521 A CN109665521 A CN 109665521A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene
- doping
- self
- water
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/194—After-treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
- C02F1/4691—Capacitive deionisation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开一种用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3D石墨烯及制备方法，通过加入吡咯为多孔石墨烯水凝胶合成过程中提供氮掺杂的氮源；氮掺杂在石墨烯的边缘和缺陷部位引入了氮原子，从而改善了石墨烯的电学性能和化学性能；吡咯能够防止石墨烯片层在合成和自收缩的过程中出现自堆积现象，避免孔结构在自收缩过程中的坍塌过度，从而避免了由此产生的电学和吸附性质劣化；解决了现有三维石墨烯孔结构较大，其在脱盐过程中不能更好的与阴阳离子作用，从而影响了三维石墨烯的CDI能力问题；相比于其他干燥方式，冷冻干燥处理有效地保持了石墨烯内部的孔洞结构。
Description
技术领域
本发明公开一种用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3D石墨烯，同时还提供了该用石墨烯的制备方法，涉及电极材料领域，特别是石墨烯电极材料，及其在海水脱盐领域的应用。
背景技术
水资源短缺是当今时代最严峻的全球挑战之一，要增加可获得的超过水文循环的供水，唯一方法是海水脱盐和水资源循环使用。其中，海水淡化提供了一种似乎无限的、稳定的高质量水供应方法，同时还不损害天然淡水生态系统。电容去离子（CDI)作为一种新兴的海水脱盐技术，与传统的除盐方法相比较优点显著。比如，离子交换法操作过程中会产生大量具有腐蚀性的二次废水，不仅造成二次污染而且需要不断更换新装置。而电容去离子过程中，无需使用任何酸、碱或者盐溶液，只需让电极放电便可完成系统的再生，因此不会产生额外的废液，也不会造成污染；与蒸馏法等热处理工艺相比，电容去离子的能量利用率相对较高;和反渗透法或者电渗析法等膜处理工艺相比，电容去离子的工艺流程相对简单，不需要提供额外的压力和高电势。因为电容去离子技术具有耗能少、环境友好、操作简便等优点，其应用潜力广泛，包括城市用水软化、海水脱盐、废水处理、制备用于半导体加工的高纯水等多种领域。
多孔电极是所有CDI系统中的关键组成部分，与它在电容式储能装置领域中的重要性类似。在CDI电极领域里碳是开发和制造多孔电极的首选材料。石墨烯具有较高的理论比表面积和优异的导电性，是一种理想的CDI电极材料，作为“碳家族”中的新成员，其特点在于该材料几乎所有的表面积都是可利用的，除了石墨烯本身的性质外，电极的CDI性能不仅与其电子导电性、电化学稳定性有关，还和其总孔体积、孔径大小和孔之间的连通性也有巨大关系。然而由于石墨烯的聚集效应，实际比表面积远远低于理论值，将石墨烯制备成三维网络结构或将石墨烯与其他材料进行复合可以克服聚集效应，提高电极的脱盐性能。但是，传统的三维石墨烯由于孔结构较大，使得其在脱盐过程中不能很好的与阴阳离子作用，从而影响了三维石墨烯的CDI能力。
发明内容
本发明提供了一种用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3D石墨烯，利用其特殊的孔结构提高石墨烯电极的CDI能力。
本发明进一步公开了一种用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3D石墨烯的制备方法，在多孔石墨烯水凝胶中加入吡咯水热得到多孔石墨烯水凝胶，使材料进行自收缩以获得致密孔结构的三维石墨烯材料。
本发明所述的一种用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3D石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
在氧化石墨烯水溶液中加入吡咯，氧化石墨烯溶液和吡咯的体积比为10-30：1，并均匀混合10-30分钟；取上述水溶液加入水热釜中，然后在150-200°C下水热10-15小时，将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3-5次后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理；随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理；最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在900-1200°C下通Ar气退火2-3小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯；
其中，自收缩处理的具体步骤为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在20-30°C下放置2-3h，加入0.05-0.1mol/L的乙二胺反应5-6h，去离子水洗涤，再在20-30°C下放置2-3h。
优选的，所述水溶液选用去离子水，以避免金属离子/盐离子/酸根离子以及具有氧化还原性的杂质对于反应体系所产生的负面影响。
优选的，氧化石墨烯水溶液的浓度为2-3 mg/mL；
优选的，吡咯的浓度为98%。
本发明提供了一种利用氮掺杂自缩式3D石墨烯作为电容去离子电极进行脱盐的方法，其包括如下步骤：
利用本发明所述氮掺杂自缩式3D石墨烯作为电容去离子电极，在正负极两端施加电场，电极之间具有一定距离，使待处理盐水能够在电极之间被吸附，电极之间用绝缘的聚丙烯纤维布将两侧电极隔开，以防止两电极接触而短路。用稳流泵稳定地将待处理盐水输送至CDI装置中，水下进上出，以利于水流稳定且能达到循环吸附的效果。CDI装置中溢流的水流入中间池，在中间池中测量电导率，电导率达标则流入储水池，不达标则由稳流泵送回CDI装置中循环处理。控制CDI装置中的电压为2V，盐水的流速为15mL/min。
本发明的积极效果在于：
通过吡咯的加入能够为多孔石墨烯水凝胶合成过程中提供氮掺杂的氮源。氮掺杂在石墨烯的边缘和缺陷部位引入了氮原子，吡咯的氮原子将其p电子供给石墨烯的π电子体系，氮原子的引入导致其周围石墨烯的电子结构发生了改变，石墨烯原有的电子自旋密度和电荷分布都受到了影响，从而改善了石墨烯的电学性能和化学性能。此外，吡咯能够防止石墨烯片层在合成和自收缩的过程中出现自堆积现象，避免孔结构在自收缩过程中的坍塌过度，从而避免了由此产生的电学和吸附性质劣化。
本发明采用控制条件下的自收缩处理，使多孔石墨烯水凝胶的大孔受控地塌陷收缩为很多的介孔和部分小孔，从而使得比表面积大大增加。解决了现有三维石墨烯孔结构较大，其在脱盐过程中不能更好的与阴阳离子作用，从而影响了三维石墨烯的CDI能力问题；通过吡咯修饰以及对自收缩的条件和步骤的选择，可以控制孔结构坍塌的程度，既能够使得大孔收缩为介孔和部分小孔，又避免孔道坍塌过度造成的比表面积下降等负面影响，吡咯修饰和自收缩步骤的共同作用形成了具有致密孔结构和优异CDI能力的三维石墨烯材料；相比于其他干燥方式，冷冻干燥处理有效地保持了石墨烯内部的孔洞结构。
附图说明：
图1a和1b分别为氮掺杂多孔三维石墨烯（N-3DG）和自收缩氮掺杂多孔三维石墨烯（N-S3DG）的SEM电镜图；
图2a和2b分别是N-3DG和N-S3DG的氮气吸附-脱附曲线和孔径分布曲线；
图2c和2d分别是N-3DG和N-S3DG的CV曲线；
图3a和3b分别是电极在不同电压下的电吸附容量-时间曲线和电流-时间曲线；
图3c和3d分别是电极在不同流速下的电吸附容量-时间曲线和电流-时间曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在25°C下放置3h，加入0.08mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在25°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG）。
实施例2
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在20°C下放置3h，加入0.08mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在20°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG）。
实施例3
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在30°C下放置3h，加入0.08mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在30°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG）。
实施例4
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在25°C下放置3h，加入0.05mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在25°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG）。
实施例5
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在25°C下放置3h，加入0.1mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在25°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG）。
实施例1-5得到的氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG）形貌和性质相近，以实施例1所得N-S3DG为例，给出了SEM电镜图（图1b），氮气吸附-脱附曲线和孔径分布曲线（图2b），电极的充放电测试曲线（图2c），电极的交流阻抗曲线（图2d）。
对比试验例1
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，未对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。将石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-3DG）。
图1a和1b分别是对比例1所得N-3DG和实施例1所得N-S3DG样品的SEM图。从图1a和1b中可以明显看到N-3DG和N-S3DG都具有多孔结构。原先的多孔三维石墨烯经过收缩后，其中的大孔已经消失殆尽。收缩后，N-S3DG样品明显孔径更小且孔分布更为均匀。从图1b中可以估测出这些小孔的孔径约为50 nm左右。
此外，图2a和2b分别是对比例1所得N-3DG和实施例1所得N-S3DG的氮气吸附-脱附曲线和孔径分布曲线。通过计算得到N-S3DG的比表面积为427.560 m²/g远大于N-3DG的比表面积（71.574 m²/g）；从由孔径分布曲线，可以看到N-S3DG的平均孔径很小且孔径分布范围也相对很窄；也就是说，N-S3DG样品在制备过程中，原先的多孔石墨烯水凝胶的大孔会被塌陷收缩为很多的介孔和部分小孔，从而使得比表面积大大增加。
图2c和2d分别是对比例1所得N-3DG和实施例1所得N-S3DG的CV曲线。曲线上没有出现明显的法拉第反应迹象，都是由库仑反应引起的双电层电容。显然，N-S3DG电极的CV曲线形状更接近矩形，说明它在电势反转时电流能更快达到平衡。同时N-S3DG电极的CV曲线积分面积相对较大，说明其相应的比电容也较大，也就是说N-S3DG具有更好的电化学性能。
对比试验例2
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在25°C下放置5h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG-1）。根据氮气吸附-脱附曲线计算得到的比表面积为101.562 m²/g。乙二胺可以与石墨烯上的功能基团发生交联作用，增加片层间的相互作用，从而促进孔结构的收缩。
对比试验例3
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在25°C下放置3h，加入0.03mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在25°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG-2）。根据氮气吸附-脱附曲线计算得到的比表面积为273.643 m²/g。
对比试验例4
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在25°C下放置3h，加入0.15mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在25°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG-3）。根据氮气吸附-脱附曲线计算得到的比表面积为257.428 m²/g。
对比试验例5
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在50°C下放置3h，加入0.08mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在50°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG-4）。根据氮气吸附-脱附曲线计算得到的比表面积为67.389 m²/g。
孔结构过渡收缩将导致形成闭孔和大量的小孔，导致比表面积下降，影响电性能。
对比试验例6
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡咯，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在10°C下放置3h，加入0.08mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在10°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG-5）。根据氮气吸附-脱附曲线计算得到的比表面积为87.525 m²/g。
对比试验例7
在30mL浓度为2 mg/mL的均匀氧化石墨烯水溶液中加入2.5 mL 98%吡啶，并均匀混合20分钟。取上述水溶液加入水热釜中，然后在180°C下水热12小时。将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3遍后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理。所述自收缩处理为：将洗涤后的石墨烯水凝胶在25°C下放置3h，加入0.08mol/L的乙二胺反应6h，去离子水洗涤，再在25°C下放置2h。随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理以保持其内部的孔洞结构。最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在1000°C下通Ar气退火2小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯（N-S3DG-5）。根据氮气吸附-脱附曲线计算得到的比表面积为93.877 m²/g。
吡咯和吡啶虽然都是较为相似的杂元环，但其与石墨烯的作用方式不同，在自收缩的过程中并不能像吡咯那样有效避免孔结构的过度坍塌。
对比试验例8
采用实施例1所述氮掺杂自缩式3D石墨烯作为电容去离子电极，在正负极两端施加电场，电极之间具有一定距离，使待处理盐水能够在电极之间被吸附，电极之间用绝缘的聚丙烯纤维布将两侧电极隔开，以防止两电极接触而短路。用稳流泵稳定地将待处理盐水输送至CDI装置中，水下进上出，以利于水流稳定且能达到循环吸附的效果。CDI装置中溢流的水流入中间池，在中间池中测量电导率，电导率达标则流入储水池，不达标则由稳流泵送回CDI装置中循环处理。控制CDI装置中的电压为2V，盐水的流速为15mL/min。采用200 mg/L的氯化钠溶液模拟待处理盐水。
对比试验例9
采用实施例1所述氮掺杂自缩式3D石墨烯作为电容去离子电极，在正负极两端施加电场，电极之间具有一定距离，使待处理盐水能够在电极之间被吸附，电极之间用绝缘的聚丙烯纤维布将两侧电极隔开，以防止两电极接触而短路。用稳流泵稳定地将待处理盐水输送至CDI装置中，水下进上出，以利于水流稳定且能达到循环吸附的效果。CDI装置中溢流的水流入中间池，在中间池中测量电导率，电导率达标则流入储水池，不达标则由稳流泵送回CDI装置中循环处理。控制CDI装置中的电压为1.2V，盐水的流速为15mL/min。采用200 mg/L的氯化钠溶液模拟待处理盐水。
对比试验例10
采用实施例1所述氮掺杂自缩式3D石墨烯作为电容去离子电极，在正负极两端施加电场，电极之间具有一定距离，使待处理盐水能够在电极之间被吸附，电极之间用绝缘的聚丙烯纤维布将两侧电极隔开，以防止两电极接触而短路。用稳流泵稳定地将待处理盐水输送至CDI装置中，水下进上出，以利于水流稳定且能达到循环吸附的效果。CDI装置中溢流的水流入中间池，在中间池中测量电导率，电导率达标则流入储水池，不达标则由稳流泵送回CDI装置中循环处理。控制CDI装置中的电压为1.6V，盐水的流速为15mL/min。采用200 mg/L的氯化钠溶液模拟待处理盐水。
结合电化学性能的测试结果我们可以明显得出，N-S3DG电极具有最良好的电化学性能。图3a和3b分别是200 mg/L的氯化钠浓度下，电极在不同电压下的电吸附容量-时间曲线和电流-时间曲线。由图3a可以看到，随着吸附时间的增加，电极的电吸附容量不断增加，同时电压为2 V下的电吸附容量始终高于1.2V和1.6V下的，并且电吸附容量的增加速度也最为迅速的。此外，电压为1.2 V下时，电吸附容量曲线略有下降，这可以归结于测试体系内电阻分压的原因。由图3b可以看到，三条曲线（不同电压条件下）的电流都随着时间的推移急剧下降，经过一个拐点之后趋于稳定。这说明在最初阶段，N-S3DG电极吸附阴阳离子速率很快，其中电压在2 V条件下的吸附速率最快。但经过一段时间后，由于N-S3DG电极吸附趋于饱和，吸附速率变得缓慢。我们可以容易的判断出，2V的电压会使多孔石墨烯水凝胶电极的电吸附性能显著增强，电吸附过程的开始阶段吸附速率很快。
对比试验例11
采用实施例1所述氮掺杂自缩式3D石墨烯作为电容去离子电极，在正负极两端施加电场，电极之间具有一定距离，使待处理盐水能够在电极之间被吸附，电极之间用绝缘的聚丙烯纤维布将两侧电极隔开，以防止两电极接触而短路。用稳流泵稳定地将待处理盐水输送至CDI装置中，水下进上出，以利于水流稳定且能达到循环吸附的效果。CDI装置中溢流的水流入中间池，在中间池中测量电导率，电导率达标则流入储水池，不达标则由稳流泵送回CDI装置中循环处理。控制CDI装置中的电压为2V，盐水的流速为25mL/min。采用200 mg/L的氯化钠溶液模拟待处理盐水。
对比试验例12
采用实施例1所述氮掺杂自缩式3D石墨烯作为电容去离子电极，在正负极两端施加电场，电极之间具有一定距离，使待处理盐水能够在电极之间被吸附，电极之间用绝缘的聚丙烯纤维布将两侧电极隔开，以防止两电极接触而短路。用稳流泵稳定地将待处理盐水输送至CDI装置中，水下进上出，以利于水流稳定且能达到循环吸附的效果。CDI装置中溢流的水流入中间池，在中间池中测量电导率，电导率达标则流入储水池，不达标则由稳流泵送回CDI装置中循环处理。控制CDI装置中的电压为2V，盐水的流速为50mL/min。采用200 mg/L的氯化钠溶液模拟待处理盐水。
图3c和3d分别是200 mg/L的氯化钠浓度下，电极在不同流速下的电吸附容量-时间曲线和电流-时间曲线。从图3c可以看出，随着吸附时间的增加，电极的电吸附容量不断增加。与此同时，流速为15 mL/min条件下，N-S3DG电吸附容量始终高于流速为25 mL/min和50 mL/min下的电吸附容量，但三者电吸附容量得增加速度基本保持一致。此外我们还发现在足够长的测试时间之后，流速为15 mL/min下的电流值会始终低于流速为25 mL/min和50mL/min下的，这说明其电容吸附量在足够长的时间之后会始终大于流速为25 mL/min和50mL/min下的电容吸附量。结合图3c和3d可以说明：15 mL/min的流速会使多孔石墨烯水凝胶电极的电吸附容量增加。
Claims (5)
1.一种用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3D石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
1）在氧化石墨烯水溶液中加入吡咯，氧化石墨烯溶液和吡咯的体积比为10-30：1，均匀混合10-30分钟；
2）取上述水溶液加入水热釜中，然后在150-200°C下水热10-15小时，将上述步骤得到的氧化石墨烯水凝胶用去离子水清洗3-5次后，对石墨烯水凝胶进行自收缩处理；
3）随后将收缩后石墨烯水凝胶冷冻干燥处理；
4）最后将冷冻干燥后的氮掺杂多孔三维石墨烯置于管式炉中，在900-1200°C下通Ar气退火2-3小时，最终得到产物氮掺杂自缩式多孔三维石墨烯。
2.如权利要求1所述的用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3D石墨烯的制备方法，其特征在于：
步骤1）涉及的氧化石墨烯水溶液的浓度为2-3 mg/mL；吡咯浓度为98%。
3.如权利要求1所述的用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3D石墨烯的制备方法，其特征在于：
步骤2）自收缩处理的具体步骤为：
将洗涤后的石墨烯水凝胶在20-30°C下放置2-3h，加入0.05-0.1mol/L的乙二胺反应5-6h，去离子水洗涤，再在20-30°C下放置2-3h。
4.如权利要求1所述的用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3D石墨烯的制备方法，其特征在于：
所述水溶液选用去离子水。
5.一种利用氮掺杂自缩式3D石墨烯作为电容去离子电极进行脱盐的方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用权利要求1所述氮掺杂自缩式3D石墨烯作为电容去离子电极，在正负极两端施加电场，使待处理盐水能够在电极之间被吸附，电极之间用绝缘的聚丙烯纤维布将两侧电极隔开，用稳流泵稳定地将待处理盐水输送至CDI装置中，水下进上出，CDI装置中溢流的水流入中间池，在中间池中测量电导率，电导率达标则流入储水池，不达标则由稳流泵送回CDI装置中循环处理；控制CDI装置中的电压为2V，盐水的流速为15mL/min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811501447.1A CN109665521B (zh) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | 用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3d石墨烯及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811501447.1A CN109665521B (zh) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | 用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3d石墨烯及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109665521A true CN109665521A (zh) | 2019-04-23 |
| CN109665521B CN109665521B (zh) | 2020-01-07 |
Family
ID=66145036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811501447.1A Expired - Fee Related CN109665521B (zh) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | 用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3d石墨烯及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109665521B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111268642A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-06-12 | 长沙理工大学 | 一种硼氢化钠/氮掺杂石墨烯储氢复合材料及其制备方法 |
| CN113479872A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-10-08 | 常州大学 | 氮掺杂三维多孔石墨烯水凝胶电极材料的制备方法及其电极和应用 |
| CN115259305A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-11-01 | 同济大学 | 氮掺杂石墨烯气凝胶负载二茂铁-聚苯胺复合电极及其制备方法与应用 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102826543A (zh) * | 2012-09-19 | 2012-12-19 | 北京理工大学 | 一种泡沫状三维石墨烯的制备方法 |
| CN102849731A (zh) * | 2012-09-07 | 2013-01-02 | 中国科学技术大学 | 一种氮掺杂石墨烯水凝胶及其制备方法和应用 |
| CN104984728A (zh) * | 2015-07-08 | 2015-10-21 | 常州大学 | 一步法合成掺氮石墨烯水凝胶并用于电吸附水中重金属离子 |
-
2018
- 2018-12-10 CN CN201811501447.1A patent/CN109665521B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102849731A (zh) * | 2012-09-07 | 2013-01-02 | 中国科学技术大学 | 一种氮掺杂石墨烯水凝胶及其制备方法和应用 |
| CN102849731B (zh) * | 2012-09-07 | 2014-08-13 | 中国科学技术大学 | 一种氮掺杂石墨烯水凝胶及其制备方法和应用 |
| CN102826543A (zh) * | 2012-09-19 | 2012-12-19 | 北京理工大学 | 一种泡沫状三维石墨烯的制备方法 |
| CN104984728A (zh) * | 2015-07-08 | 2015-10-21 | 常州大学 | 一步法合成掺氮石墨烯水凝胶并用于电吸附水中重金属离子 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111268642A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-06-12 | 长沙理工大学 | 一种硼氢化钠/氮掺杂石墨烯储氢复合材料及其制备方法 |
| CN111268642B (zh) * | 2020-01-16 | 2022-12-06 | 长沙理工大学 | 一种硼氢化钠/氮掺杂石墨烯储氢复合材料及其制备方法 |
| CN113479872A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-10-08 | 常州大学 | 氮掺杂三维多孔石墨烯水凝胶电极材料的制备方法及其电极和应用 |
| CN115259305A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-11-01 | 同济大学 | 氮掺杂石墨烯气凝胶负载二茂铁-聚苯胺复合电极及其制备方法与应用 |
| CN115259305B (zh) * | 2022-07-22 | 2023-10-27 | 同济大学 | 氮掺杂石墨烯气凝胶负载二茂铁-聚苯胺复合电极及其制备方法与应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109665521B (zh) | 2020-01-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jiang et al. | A room-temperature activated graphite felt as the cost-effective, highly active and stable electrode for vanadium redox flow batteries | |
| Avraham et al. | Limitations of charge efficiency in capacitive deionization processes III: The behavior of surface oxidized activated carbon electrodes | |
| CN111573787B (zh) | 一种利用温差发电技术进行电化学连续除盐的方法 | |
| CN108447696B (zh) | 一种聚吡咯/导电碳布复合电极的制备方法及其应用 | |
| Liu et al. | Effects of organic additives with oxygen-and nitrogen-containing functional groups on the negative electrolyte of vanadium redox flow battery | |
| CN109665521A (zh) | 用于电容去离子电极氮掺杂自缩式3d石墨烯及制备方法 | |
| CN104979105B (zh) | 一种氮掺杂多孔碳材料、制备方法及其应用 | |
| Liu et al. | High‐Performance Alkaline Seawater Electrolysis with Anomalous Chloride Promoted Oxygen Evolution Reaction | |
| CN103346301A (zh) | 三维结构的石墨烯基金属氧化物复合材料的制备方法及其应用 | |
| CN109179589A (zh) | 碳包覆磷酸钒钠电极材料的制备方法及其在杂化电容去离子技术中的应用 | |
| CN112410849B (zh) | 一种缺陷黑磷烯碳纳米管复合材料的制备方法和应用 | |
| Sui et al. | Enhanced photocatalytic activity for the degradation of rhodamine B by integrating salinity gradient power into a photocatalytic fuel cell | |
| CN103508442A (zh) | 石墨烯的制备方法 | |
| CN106222716A (zh) | 一种电化学性能优异的锰钴硫化物/石墨烯复合材料制备工艺 | |
| Wei et al. | Redox-catalysis flow electrode desalination in an organic solvent | |
| CN105198046B (zh) | 一种Ti‑石墨烯电极高效去除地下水中硝酸盐的方法 | |
| CN107572517A (zh) | 海藻酸盐基三维网络层状活性炭及其一步炭化制备方法 | |
| CN105152280B (zh) | 一种基于三维石墨烯的膜电容型脱盐电极的制备方法 | |
| CN107546038B (zh) | 一种浓差电容器 | |
| CN113213598A (zh) | Ti-MXene衍生磷酸钛钠/石墨烯复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN105810949A (zh) | 一种高比表面积集流体的制备方法 | |
| CN106521550B (zh) | 用于电解制氢的泡沫镍/层层自组装碳纳米管/镍复合材料制备方法 | |
| Lin et al. | Research Progress of Zinc Bromine Flow Battery. | |
| CN107662965A (zh) | 一种去除氨碱废水中氨氮的电解装置和方法 | |
| CN107522266A (zh) | 分级多孔碳材料电容型脱盐电极材料的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200107 Termination date: 20201210 |