[发明专利]分级多孔碳材料电容型脱盐电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种分级多孔碳材料电容型脱盐电极材料的制备方法。该方法选用水为溶剂合成金属有机框架，在合成过程中引入表面活性剂为模板改变金属有机框架独有的微孔结构，得到均匀混合溶液；一定温度下洗去多余的活性组分得到分级多孔结构金属有机框架复合物。这种复合物具有与纯的金属有机框架化合物晶体相类似的几何外形，经过高温煅烧、盐酸溶液反应除去其内部金属，即可得到高含氮量的分级多孔碳材料；将复合材料、乙炔黑及聚四氟乙烯乳液混合均匀后涂覆在石墨纸上，烘干即制得电容型脱盐电极。本发明操作简单、条件易控，可大批量合成，所得的电极具有高含氮量、高比表面和良好导电性、润湿性，在电容型脱盐方面拥有潜在应用前景。

技术领域

本发明涉及一种分级多孔碳材料电容型脱盐电极材料的制备方法。

背景技术

随着人类社会发展，能源匮乏及环境污染已经严重影响到人类生存与发展，其中水资源危机尤为突出。海水与苦咸水脱盐淡化技术作为有效解决该危机的重要途径，已引起社会广泛关注。目前，现有的脱盐淡化技术方法主要包括蒸馏法和膜法。但是，这些传统脱盐技术存在着一些不可避免的问题，膜法所用选择性半透膜成本高、设备投资大、膜部件易堵塞且易带来二次污染；而蒸馏法对热能要求高，操作温度高，能耗较大，锅垢危害及腐蚀严重。人们一直努力降低这些传统脱盐技术的成本和能耗，利用像太阳能、潮汐能及风能等可再生资源作为脱盐系统的驱动能量，但是仍旧不能达到低成本低能耗要求。因此，发展成本低、效率高、能耗低以及环境友好的新型脱盐技术迫在眉睫。电容型脱盐是一种基于双电层电容原理的全新脱盐技术。该方法能耗低、脱盐效率高，对环境友好。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。

基于电容型脱盐的原理具有比表面积大、空隙发达、导电性好的电极材料成为获得高电容型脱盐性能的关键。多孔碳材料由于具有高的比表面积、良好的导电能力、独特的化学稳定性、孔结构易控制和导电性好等特点，一直是电容型脱盐装置电极材料的首选。金属-有机骨架(metal-organic frameworks，MOFs)化合物具有高的比表面积、大的孔容以及可调的孔道结构，最近被证实能作为碳前躯体或模板来制备多孔碳材料（ChaikittisilpW, Hu M, Wang H, Huang H S, Fujita T, Wu K C W, Chen L C, Yamauchi Y, ArigaK, Nanoporous carbons through direct carbonization of a zeolitic imidazolateframework for supercapacitor electrodes, Chem. Commun. 2012, 48(58): 7259-7261）。这类多孔碳材料具有制备方法简单、电化学性能优异等特点，而赋予该材料独特的机械、电子、光学、半导体、储能等性质，使其广泛应用于超级电容器的电极材料，吸附剂、储氢和催化等领域。

沸石咪唑酯骨架材料(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)是金属有机框架材料的一个分支，它是由过渡金属和咪唑配位基形成类似于沸石结构的三维四面体框架。ZIFs的高热稳定性和化学稳定性以及咪唑配位基中富含的氮源，使其成为制备性能优异的氮掺杂多孔碳的理想前驱体。但是需要指出的是当前制备的ZIF-基多孔碳材料的前驱体通常选用有机溶剂（例如：N,N-二甲基甲酰胺、甲醇等）不但对环境造成污染而且很难降解。而且ZIF-基多孔碳材料的孔结构主要是以微孔为主，不利于溶液中离子的扩散和传输。增加咪唑衍生物的长度会使ZIFs的笼径和孔径增大，但长的有机配体会造成材料骨架结构的稳定性差，当焙烧时导致介孔结构的坍塌。因此，探索绿色环保的合成方法，高孔隙率的碳材料仍具有挑战性。