[发明专利]电容去离子用氮掺杂三维石墨烯/MOF衍生碳复合电极材料及其制备和应用

说明书

本发明属于电容去离子脱盐技术领域，涉及电容去离子用氮掺杂三维石墨烯/MOF衍生碳复合电极材料及其制备和应用。制备包括：先将氧化石墨烯、过氧化氢和尿素通过一步水热法，经过冷冻干燥后得到氮掺杂三维石墨烯；再将氮掺杂三维石墨烯与六水合硝酸钴分散在甲醇中，得到溶液A；将二甲基咪唑溶于甲醇中得到溶液B；随后加溶液B加入到溶液A中，充分搅拌静置，抽滤烘干得氮掺杂三维石墨烯/MOF复合材料前驱体；最后在氩气气氛下，将前驱体高温煅烧，经过酸洗烘干后，得到氮掺杂三维石墨烯/MOF衍生碳复合电极材料。本发明制备方法简单、环境友好，在电容去离子脱盐应用中具有优异的效果。

技术领域

本发明属于电容去离子脱盐技术领域，尤其涉及到一种电容去离子用氮掺杂三维石墨烯/MOF衍生碳复合电极材料及其制备和应用。

背景技术

电容去离子(CDI)技术是一种新的脱盐技术，它是利用施加的电场形成双电层电容，溶液中的离子被带相反电荷的电极吸附，进而达到脱盐的目的，这种技术适用于苦咸水或者盐浓度较低的水域，其成本较低，设备简单，且无二次污染，是一种廉价、环保型脱盐技术。CDI的工作原理为：具有一定盐离子浓度的水溶液经过一对平行的带有活性物质的碳电极时，施加在电极两对的正负电压(一般小于1.23V)使得水溶液中的盐离子朝着带相反电荷的电极方向移动，到达电极表面，由于活性物质内部具有孔隙结构，盐离子会被吸附在孔内而储存；当施加的电压反接或者电极短接时，原先被吸附的离子由于电荷同性相斥作用，从活性物质表面或者内部孔隙开始被排出，电极得到再生。CDI具有许多技术优势，例如：成本低廉、能耗低和绿色环保等，但是其也存在着一些不足，目前CDI只能被应用于低浓度盐水的处理以及如何进一步提高电极的使用寿命等，因此CDI被越来越多的研究者所关注。

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维碳材料，由SP2杂化碳原子排列而成的六角形蜂巢状晶体结构，具有较大的理论比表面积(2630m²/g)和电导率(7200S/m)，在新能源、光电材料和超级电容器等领域具有重要的研究价值。

金属有机框架材料(MOF)是一种由金属离子或者金属团簇和有机配体自组装而成的新型有机/无机晶体多孔材料，金属离子有Zn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Cu²⁺和Al³⁺等，有机配体通常是羧酸类化合物或者含氮的配体。由于MOF具有较大的比表面积、骨架结构多样性、孔径可调和存在大量的活性位点等特点，引起了越来越多的研究者关注。通过改变合成条件和金属离子/有机配体的种类可以获得不同功能特性和结构的MOF材料，被广泛应用于储能、催化、吸附、分离和水处理等领域。以MOF材料为前驱体，经过高温裂解后生成的MOF衍生碳材料，在很大程度上继承了MOF材料的优异特性，具有超高的比表面积、良好的导电性和发达的孔隙结构等。同时，MOF衍生碳材料具有与普通碳材料相同的稳定性和电双层特性，可作为电极材料应用于CDI中，有利于提高脱盐性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种价格低廉、环境友好、操作简单的电容去离子用氮掺杂三维石墨烯/MOF衍生碳复合电极材料及其制备和应用，该方法制备的MOF衍生碳可以较为均匀的分散在石墨烯片层，且形成多孔结构，增加电极材料的比表面积。

为实现本发明的目的，所采用的技术方案为：一种电容去离子用氮掺杂三维石墨烯/MOF衍生碳复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以氧化石墨烯、过氧化氢和尿素为原料，通过水热反应制备氮掺杂三维石墨烯。

具体的，将氧化石墨烯、过氧化氢和尿素按照一定质量比，加入到去离子水中，超声震荡1h，加入到高压釜中，160℃水热反应10h后，经过冷冻干燥，得到氮掺杂三维石墨烯。

(2)将步骤(1)中的氮掺杂三维石墨烯与六水合硝酸钴按照一定质量比依次加入到甲醇中，搅拌均匀后静置(静置时间优选24h)，得到溶液A；将一定质量的二甲基咪唑加入到甲醇中，得到溶液B。