[发明专利]一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法

说明书

本发明公开了一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，属于电容去离子技术领域。该不对称电容去离子器件包括两个电极，均以单一的前驱(GO)出发，其中一个电极以掺镁氧化铝包裹的石墨烯为正极电极材料，另一个电极以低温热处理的还原型氧化石墨烯为负极电极材料，正极使用的电极材料带正电荷，负极使用的电极材料带负电荷。本发明可减少吸附过程中的同离子排斥效应，降低因同离子效应产生的电损耗，而且有助于在脱附过程中通过施加一定的反向电压获得更多的离子吸附位点，进而提高电容去离子器件的脱盐性能。

技术领域

本发明属于电容去离子技术领域，涉及一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，具体涉及掺镁氧化铝包裹的石墨烯电极用于不对称电容去离子器件的正极，低温热处理的还原型氧化石墨烯电极用于不对称电容去离子器件的负极。

背景技术

当人类社会步入21世纪后，淡水资源短缺的问题日趋严峻，甚至影响到许多国家的发展，这主要是因为，一：人口爆炸和工业化进程加速，二、淡水资源的分布又极其不均衡。虽然淡水资源十分短缺，但是，地球上却拥有着丰富的海水及苦咸水资源。因此，对这类含盐水资源进行脱盐成为解决淡水资源匮乏的一个有效途径，一系列的脱盐技术也响应这种需求而产生。其中，电容去离子技术，因为其能耗低、无二次污染等优点备受关注。一般来说，这一技术的实施过程为：当含盐水经过一对外加电压的电极时，水中的离子会被吸附到具有相反电荷的电极上，达到除盐的效果，当吸附达到平衡后，通过短接或施加反向电压可以实现电极的再生。

电容去离子器件中所用的多孔炭电极材料表面一般都带电荷，这是因为在制备过程中，炭的表面会带上羧基、羟基、氨基等基团，因此在不施加电压的情况下，一对电极也会吸附一定量的离子。当施加电场后，电极上不仅会发生与其带有相反电荷离子(反离子)的吸附作用，也会发生与其带有相同电荷离子(同离子)的脱附作用，其中，同离子的这一脱附现象被称为同离子排斥效应。研究表明，同离子排斥效应会降低电容去离子器件的能耗，还会因为发生电化学反应而降低电极材料的稳定性。

另外，在电吸附过程中，通过采用表面带负电荷的材料作为负极，采用表面带正电荷的材料作为正极，即增强型电容去离子过程，这一工艺可以有效的提高电容去离子器件的脱盐效率。但受限于制备成本、工艺，以及电极材料在运行过程中的稳定性，这一技术发展缓慢，还没有实现工业化生产。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，创造性地为不对称电容去离子器件制备带电荷的石墨烯基电极，包含在充电脱盐过程中，正极使用的电极带正电荷，负极使用的电极带负电荷，使用这种带电荷的电极可以减少吸附过程中的同离子排斥效应，降低因同离子效应产生的电损耗，而且有助于在脱附过程中通过施加一定的反向电压获得更多的离子吸附位点，进而提高电容去离子器件的脱盐性能。

本发明的技术方案如下：

一种不对称电容去离子器件用石墨烯基电极的制备方法，包括正极电极材料和负极电极材料的制备，所述的正极电极材料为掺镁氧化铝包裹的石墨烯，所述的负极电极材料为还原型氧化石墨烯，包括以下步骤：

(1)掺镁氧化铝包裹的石墨烯的制备

配制质量分数为0.5-2.0％的氧化石墨烯水溶液A；再配制100mL0.02-2.0M仲丁醇铝的2-丁醇溶液B，再加入镁盐，其中，镁盐和仲丁醇铝的摩尔比为0.2-1:1；然后将溶液A和B混合，并在80-85℃搅拌1-2h，再加入酸溶液至pH值为3，搅拌反应0.5-2h后，停止搅拌，回流反应2-24h，真空抽滤，即得到掺镁氧化铝包裹的石墨烯；

(2)还原型氧化石墨烯的制备

将氧化石墨烯(graphene oxide，GO)与去离子水按质量比为2-25：75-98混合均匀，随后对进行水热处理，水热处理的水热温度120-180℃，时间2-12h，再经干燥，即得到还原型氧化石墨烯(reduced graphene oxide，RGO)。