[发明专利]电容型脱盐电极用核壳结构三维石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种电容型脱盐电极用核壳结构三维石墨烯复合材料及其制备方法。该方法利用金属有机框架作为核，石墨烯作为壳；通过在一定温度下一定浓度的氧化石墨溶液与金属有机框架进行静电作用，形成核壳结构三维复合材料的前驱体；进一步通过碳化，酸洗得到三维石墨烯复合材料；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。本发明工艺快速，简单，成本低，可批量生产。所得的电极具有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

本发明涉及一种电容型脱盐电极用核壳结构三维石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

淡水资源短缺是本世纪全球面临的最大资源危机之一，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。现有的脱盐方法主要有蒸馏法和膜法。蒸馏法操作温度高，能耗较大，锅垢危害及腐蚀严重；膜法对膜性能要求严格，膜损坏率高且费用昂贵。另外，这些脱盐方法均存在能耗高的缺点，即便是耗能最低的反渗透膜法，其能耗也是理论值的十倍左右。因此，研发能耗低、成本低的脱盐技术是时代的需求。电容型脱盐是一种基于双电层电容远离的全新脱盐技术。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。石墨烯作为一种新型的二维蜂窝状结构的碳材料，其具有良好的导电性、较大的理论比表面积、高机械稳定性等优越的性能，故引起了广泛的关注。但是石墨烯片层间π-π相互作用导致了不可逆团聚和堆叠，降低了其比表面积，不利于电容型脱盐过程中离子的扩散和吸附，进而限制了其在电容脱盐领域的应用。为了缓解石墨烯堆叠程度，额外客体（比如：碳纳米管、活性炭等）常常需要通过不同的方式加入到石墨烯层间，这样得到的碳材料在一定程度上缓解了石墨烯堆叠，但很难确保客体均匀地分散在石墨烯层间，故石墨烯一些部位的团聚不能得到有效解决。另外，对于电容型脱盐技术而言，除了电极材料的高比表面积、高有序结构，电极材料的导电性、润湿性也非常关键。有大量研究发现在多孔碳材料中通过加入额外的氮源如糠醛（H.-L. Jiang, B. Liu, Y.-Q. Lan, K. Kuratani, T. Akita, H.Shioyama, F. Zong and Q. Xu, From MetalOrganic Framework to NanoporousCarbon: Toward a Very High Surface Area and Hydrogen Uptake. J. Am. Chem.Soc., 2011, 133, 11854–11857.），以达到改善其机械、导电或电化学性能的目的。但是由于制备过程复杂，氮源的不环保，使得探索制备工艺简单、绿色高氮量的三维石墨烯材料仍具有挑战性。

金属-有机骨架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。而沸石咪唑酯骨架材料(ZeoliticImidazolate Frameworks, ZIFs)作为金属有机框架的分支之一，其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。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术中存在的问题，提供一种双电层电容型脱盐法进行海水淡化处理用核壳结构三维石墨烯复合材料。

本发明的目的之二在于提供该复合材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：