CN112158923B - 一种可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的制备方法 - Google Patents

一种可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用作电容去离子电极的石墨烯‑氧化铝多孔复合材料的制备方法，通过以多孔氧化铝材料为骨架，以氧化石墨烯分散液和碳酸氢铵或碳酸铵的混合浆料为原料，经真空涂覆后，采用热处理和热还原工艺，制备得到的具有较高比表面积、良好的孔结构和力学强度、以及良好导电性的石墨烯‑氧化铝多孔复合材料，作为电容去离子装置的吸附电极，对溶液中多种价态的离子均具有优良的脱除性能。而且，本发明制备方法具有工艺简单、成本低廉、性能优异、操作条件易控等优点，在海水淡化以及含盐废水处理等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料 的制备方法
技术领域
本发明涉及多孔材料技术领域，尤其涉及一种可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的制备方法。
背景技术
随着全球人口不断增长和工业的持续发展，淡水资源匮乏已成为全球面临的重大问题。而海水淡化则是缓解上述问题的有效方法之一。海水及苦咸水淡化均需要高效的离子脱除(脱盐)技术，与传统脱盐技术相比，电容去离子技术因具有水资源利用率高、低能耗、易操作、电极易再生等突出技术优势，使其在脱盐等领域备受关注。
目前，针对电容去离子技术而言，电极材料的结构性能特征对于其脱盐效率的影响尤为关键。通常，用作电容去离子的电极材料应具有导电性良好、比表面积大、孔结构合理等特点。石墨烯作为一种新型先进碳材料，具有理论比表面积大(约2630 m2/g)、电导率高和其他优异的物理化学性质，使之在电容去离子技术领域表现出巨大的应用开发前景。然而，现阶段石墨烯电极材料在实际应用过程中，存在诸如：易发生片层堆叠而导致其比表面积下降、力学强度偏低、且其内部孔结构调控技术门槛及其制备成本均偏高等关键难题，从而不利于石墨烯材料在电容去离子技术中的大规模推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、成本低廉、操作条件易控的可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的制备方法，通过以多孔氧化铝材料为骨架，以氧化石墨烯分散液和碳酸氢铵或碳酸铵的混合浆料为原料，经真空涂覆后，采用热处理和热还原工艺，从而制备得到具有较高比表面积、良好的孔结构和力学强度、以及良好导电性的石墨烯-氧化铝多孔复合材料。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳酸氢铵或碳酸铵加入浓度为0.05～0.15g/L的氧化石墨烯分散液中溶解后，形成碳酸氢铵或碳酸铵含量为1～3wt％的混合浆料；
(2)采用真空涂覆工艺，将所述混合浆料涂覆在多孔氧化铝片的内外表面，然后进行热处理，并重复涂覆-热处理，而获得氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料；
(3)在氢气气氛下，对所述氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料进行热还原，即得到可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料。
进一步地，本发明所述氧化石墨烯的粒径为50～200nm。所述多孔氧化铝片的最可几孔径为1～2μm，孔隙率为30～35％。
进一步地，本发明所述步骤(2)真空涂覆的处理时间为20～30min；在95～100℃温度下热处理2～3h；重复涂覆-热处理的次数为5～10次。所述步骤(3)热还原处理的温度为900～1000℃，处理时间为24～36h。所述步骤(3)热还原后石墨烯的电阻为150～200Ω。
对本发明制备的石墨烯-氧化铝多孔复合材料单面进行被银网，取两片分别记为正、负极并连接导线，即构成石墨烯-氧化铝多孔复合电极，适用于电压为0.6～1.2 V的直流电源。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明以多孔氧化铝材料为骨架，以氧化石墨烯分散液和碳酸氢铵或碳酸铵的混合浆料为原料，经真空涂覆-热处理-热还原工艺而制得的石墨烯-氧化铝多孔复合材料，具有较高的比表面积(260～300m2/g)和良好的孔结构(孔隙率30～35％) 和力学强度(抗折强度23～28MPa)，导电性良好(电阻为150～200Ω)且制备成本低，作为电容去离子装置的吸附电极，对溶液中多种价态的离子均具有优良的脱除性能(对Na+、K+、Ca2+的吸附率分别为8～35％、6～30％、4.5～10％)。
(2)本发明制备方法具有工艺简单、成本低廉、性能优异、操作条件易控等优点，在海水淡化以及含盐废水处理等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：
图1是本发明实施例制得的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的显微结构图；
图2是本发明实施例制得的石墨烯-氧化铝多孔复合材料组装为电极的构成示意图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例一种可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将碳酸铵加入浓度为0.05g/L的氧化石墨烯分散液(氧化石墨烯的粒径为50nm)中溶解后，形成碳酸铵含量为1wt％的混合浆料；
(2)将最可几孔径为1μm、孔隙率为30％的多孔氧化铝片完全浸没至上述混合浆料中，在-0.9bar真空中处理30min，使氧化石墨烯和碳酸铵均匀地结合在氧化铝表面，然后在100℃温度下热处理2h以使之结合牢固；重复上述涂覆-热处理工艺 10次，获得结合牢固的氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料；
(3)上述氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料，在氢气气氛下，经36h缓慢升温至1000℃进行热还原处理，将氧化石墨烯还原为电阻为150Ω的石墨烯，即得到可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料。
实施例二：
本实施例一种可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将碳酸氢铵加入浓度为0.15g/L的氧化石墨烯分散液(氧化石墨烯的粒径为200nm)中溶解后，形成碳酸氢铵含量为3wt％的混合浆料；
(2)将最可几孔径为2μm、孔隙率为35％的多孔氧化铝片完全浸没至上述混合浆料中，在-0.9bar真空中处理20min，使氧化石墨烯和碳酸氢铵均匀地结合在氧化铝表面，然后在95℃温度下热处理3h以使之结合牢固；重复上述涂覆-热处理工艺5次，获得结合牢固的氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料；
(3)上述氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料，在氢气气氛下，经24h缓慢升温至 900℃进行热还原处理，将氧化石墨烯还原为电阻为200Ω的石墨烯，即得到可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料。
实施例三：
本实施例一种可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将碳酸氢铵加入浓度为0.10g/L的氧化石墨烯分散液(氧化石墨烯的粒径为100nm)中溶解后，形成碳酸氢铵含量为2wt％的混合浆料；
(2)将最可几孔径为1.5μm、孔隙率为32％的多孔氧化铝片完全浸没至上述混合浆料中，在-0.9bar真空中处理30min，使氧化石墨烯和碳酸氢铵均匀地结合在氧化铝表面，然后在100℃温度下热处理2h以使之结合牢固；重复上述涂覆-热处理工艺8次，获得结合牢固的氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料；
(3)上述氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料，在氢气气氛下，经30h缓慢升温至 950℃进行热还原处理，将氧化石墨烯还原为电阻为180Ω的石墨烯，即得到可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料。
本发明实施例制备的石墨烯-氧化铝多孔复合材料，如图1所示，石墨烯均匀涂覆在所有氧化铝颗粒的表面。采用三点弯曲法测试抗折强度，并分别采用阿基米德法、动态氮吸附法测量孔隙率、比表面积，测试结果如表1所示。
表1本发明实施例制备的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的性能指标
Figure BDA0002685208980000041
如图2所示，对本发明实施例制备的石墨烯-氧化铝多孔复合材料单面进行被银网，取两片分别记为正、负极并连接导线，即构成石墨烯-氧化铝多孔复合电极(即吸附电极)，将该吸附电极连接到电压为0.6～1.2V的外接电源，对100～1000mg/L 的NaCl、KCl、CaCl2溶液进行离子吸附，其性能指标如表2所示。
表2本发明实施例构成的石墨烯-氧化铝多孔复合电极的吸附性能
Figure BDA0002685208980000042
*溶液为NaCl溶液、KCl溶液、CaCl2溶液。

Claims (1)

1.一种可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1) 将碳酸氢铵或碳酸铵加入浓度为0.05～0.15 g/L的氧化石墨烯分散液中溶解后，形成碳酸氢铵或碳酸铵含量为1～3 wt%的混合浆料，其中氧化石墨烯的粒径为50～200nm；
(2) 采用真空涂覆工艺，将所述混合浆料涂覆在最可几孔径为1～2 μm、孔隙率为30～35 %的多孔氧化铝片的内外表面，真空涂覆的处理时间为20～30 min；然后在95～100℃温度下进行热处理，并重复涂覆-热处理5～10次，而获得氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料；
(3) 在氢气气氛下，对所述氧化石墨烯-氧化铝多孔复合材料进行热还原，热还原处理的温度为900～1000℃，处理时间为24～36 h，即得到石墨烯的电阻为150～200 Ω、石墨烯均匀涂覆在所有氧化铝颗粒的表面、可用作电容去离子电极的石墨烯-氧化铝多孔复合材料；所述复合材料的比表面积为260～300 m2/g、抗折强度为23～28 MPa，对Na+、K+、Ca2+ 的吸附率分别为8～35%、6～30%、4.5～10%。
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