[发明专利]一种利用电化学方法一步电合成石墨烯复合电极及方法

说明书

本发明公开了一种利用电化学方法一步电合成石墨烯复合电极的方法，步骤：(1)将界面zeta电位为‑20～‑35mv的氧化石墨烯放置于容器中，加入吡咯、有机磺酸盐扩孔掺杂剂，得到黑色纳米溶胶，通氮保存；(2)在三电极体系中，以三维网状导电支撑骨架为工作电极浸入通氮的黑色纳米溶胶中，水洗，干燥，制成石墨烯复合电极。本发明的方法易于控制，适合电容去离子技术需求，适合苦咸水的脱盐需求，且在正向、反向低电压交替过程实现吸附、再生，能够反复使用，其中无论是吸附还是再生过程，都不需要化学品清洗剂，环保。本发明制备的石墨烯复合电极具有有效组分分布均匀、易于保存的特点，相对传统的多孔碳电极，更适于电吸附除盐操作。

技术领域

本发明属于电化学、海水淡化、材料领域，涉及一种利用电化学方法一步电合成石墨烯复合电极的方法。

背景技术

电容法脱盐(capacitive deionization,CDI)是一种溶液去离子水处理技术。CDI原理是利用具有大比表面积和大比容量的一对电极组成流通型电容器组件，通过施加静电场，将苦咸水中的离子吸附在电极上，从而实现脱盐获得淡水。CDI过程仅需低压电源供电，操作便捷可控且能耗低。CDI电极再生过程可通过互换电极极性或加载负载的方式来实现，无需消耗化学药品，不产生环境污染。CDI是一种节能环保的水处理技术，与新型淡化技术的发展要求相吻合。

CDI脱盐过程中是操作溶液中离子在静电场作用下在电极表面形成双电层离子吸附。实现CDI技术的规模化应用，建立高效、低价的CDI水净化工厂，其关键是获得足够长的使用寿命和足够大的表面积的电极。碳基材料大都具有较大的比表面积，良好的导电性和电化学稳定性，一直是重点研究CDI电极材料。

随着碳材料研究的深化，将二维石墨烯纳米材料用于CDI电极，利用其更强的导电能力和相对较高的比表面积，以提升CDI电极的吸附能力，成为国内外研究的热点。然而，石墨烯制备电极材料易出现片层结构堆叠产生的比表面积利用率下降问题。为克服上述问题，研究者们在基本制备技术上进行了改进。石墨烯表面修饰导电高分子等赝电容材料是提高其离子吸附容量的一个重要发展方向，不但能通过片层间插入聚合物以抑制片层堆叠、提高材料比表面，同时也能借助导电聚合物的高离子存储能力，进一步提升复合电极的吸附容量。近些年，国内外报道了石墨烯制备电极的不同方法。如YimingZhang等通过干相转化的化学法制备了一系列新型导电性更强的阴离子交换膜(YimingZhanga,LindaZoub,etal.Reduced graphene oxide/polyaniline conductive anion exchange membranesin capacitive deionisation process[J].ElectrochimicaActa,182(2015)383–390.)，在聚偏氟乙烯(PVDF)基体中加入还原型氧化石墨烯/聚苯胺(RGO/PANI)。首先制备RGO/PANI复合材料，将91％浓度的RGO溶液和9％的RGO溶液分别在1M的HCl和苯胺溶液中进行超声处理；在上述溶液中加入过硫酸铵溶液，合成RGO/PANI复合材料；然后在PVDF中加入LiCl、PVP等，再加入RGO/PANI复合材料，通过干相转化法制备RGO/PANI/PVDF的非均相阴离子交换膜。通过在PVDF膜溶液中添加RGO和亲水性材料PANI，可以提高PVDF溶液中的PANI负载量(达到50％的PANI)。制备的膜因加入RGO和PANI而显著提高导电性和离子交换容量(IEC)，进而提高吸附能力和脱盐率。又如，Wang等将氧化石墨分散于吡咯和乙醇的混合液中，在120℃下密封处理24h，获得高还原度石墨烯(WangH,ZhangD,Yan T,etal.Graphenepreparedviaanovel pyridine-thermal strategy for capacitivedeionization[J].Journal ofMaterials Chemistry,2012,22(45):23745-23748.)。其中，乙醇发挥还原剂的作用，而吡咯可通过π-π相互作用与氧化石墨烯层结合，插入氧化石墨烯层间，阻止已还原的石墨烯区域发生聚集。