[发明专利]一种基于壳聚糖高温热解的多孔碳电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于壳聚糖高温热解的多孔碳电极及其制备方法，属于水处理技术应用领域。所述的多孔碳电极是先将壳聚糖炭化后与氢氧化钾混合在氮气氛围下高温煅烧获得多孔碳，再将多孔碳和粘合剂、导电剂混合均匀，压制在钛网上而制得。与普通活性炭电极相比，所获得的多孔碳电极比表面积大、孔隙率高、电容性能优异，在电容去离子过程中单位电吸附量大，吸附速率快，同时再生性能优异，是一种很有实际应用前景的电容去离子电极。

技术领域

本发明涉及一种基于壳聚糖高温热解的多孔碳电极及其制备方法。该电极主要应用于电容去离子除盐过程，属于水处理技术领域。

背景技术

电容去离子技术(CDI,capacitive deionization)又称电吸附技术，是一种以双电层电容原理为理论基础的低压、无膜脱盐过程。在电极与溶液的不同两相间施加较低电压(<2V)时，电荷会在极短的距离内重新分布、排列。带正电荷的正极会吸引溶液中的负离子(同样，带负电荷的负极会吸引溶液中的正离子)，界面剩余电荷的变化将引起界面双电层电位差的改变，从而形成紧密的双电层，使离子在双电层内富集，降低溶液本体浓度；当电源断路或反接时，实现电极的再生，从而实现含盐水溶液的脱盐处理。

与双电层电容超级电容器原理相类似，电极材料的比表面积、导电性及孔径分布等特性对CDI吸附容量具有决定性的影响，是决定CDI性能的核心因素。作为一种易循环可再生的电吸附过程，CDI要求所使用的电极材料拥有较高的离子吸附容量及迅速的再生响应。多孔炭材料具有较高的比表面积、优异的导电性、超强的稳定性以及合适的造价范围，是最常见的双电层电容器电极材料。其中，大孔对比表面积的贡献最小，但有助于缩短电解液中游离的离子向多孔材料表面迁移的距离，增加双电层中扩散层的厚度；微孔对材料的比表面积贡献最大，大量的微孔有助于形成更大的双电层面积，为处于紧密层的离子提供更多的储存空间；介孔可为离子提供更为顺畅的迁移通道，可以保证在电极充放电过程中离子的迅速迁移。由于CDI技术与双电层电容器具有巧似的电化学原理，因此以碳气凝胶、活性炭等为代表的多孔炭村料理所当然成为被广泛采用的CDI电极材料，在CDI应用中普遍具有良好的性能表现。

壳聚糖(Chitosan)是甲壳素经过脱乙酰化反应后得到的反应产物。甲壳质在自然界中分布广泛，壳聚糖是自然界中除了纤维素以外含量最多的多糖。据推断，全球中每一年通过生物合成的甲壳素可以达到100亿吨。甲壳素具有产量大、原料来源广泛、成本较低、绿色无污染等特性。壳聚糖的分子有很多轻基，氨基等基团存在于其分子链中。它们的存在可以使大分子链发生高度改性和功能化，从而具有更多的功能，然后加工成高性能的材料，这些官能团可以利用离子键和氢键组成具有类似笼形分子的网状结构，是制备多孔碳的理想碳源。据我们所知，用壳聚糖为原材料来合成多孔碳用于CDI电吸附技术的鲜有报道。因此，本发明制备了基于壳聚糖生物质的多孔碳材料，即在不同温度下与氢氧化钾混合煅烧，得到不同孔径和比表面积的碳材料，并研究该类电极的电容去离子性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于壳聚糖高温热解的多孔碳电极及其制备方法，并将这种生物质基电极应用于电容去离子除盐领域，采用该材料制得的多孔碳电极比表面积大、孔体积大、电阻小，在电吸附过程中单位电吸附量大、吸附速率快且再生性能优良。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：该多孔碳电极是先将壳聚糖炭化后与氢氧化钾混合在氮气氛围下高温煅烧获得多孔碳，再将多孔碳和粘合剂、导电剂混合均匀，压制在钛网上而制得。

该方法包括以下步骤：

(1)预处理碳的制备

将壳聚糖白色粉末，放入管式炉中在250℃～350℃温度和氮气氛围下煅烧得到黑色固体；

(2)多孔碳的制备

将黑色固体与氢氧化钾粉末混合均匀，在650℃～950℃温度和氮气氛围下高温煅烧得到多孔碳，将多孔碳材料洗涤多次，烘干备用。