石墨烯基电吸附电极材料的研究进展
发布时间：2021-11-21 17:23
电容去离子技术是一种高效节能、绿色环保的基于电化学双电层电容理论的电吸附脱盐技术。该技术的关键和核心在于电极材料的选择。石墨烯因具有较高的比表面积、电导率以及优异的物理化学特性,被认为是一种理想的电极材料。本文从石墨烯电极材料性能设计角度出发,归纳总结了针对石墨烯材料特性（亲水性、比表面积/孔隙、导电性）的研究现状,分析存在的问题,并展望了石墨烯基电容去离子电极材料的发展前景。
【文章来源】：水处理技术. 2020,46(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
石墨烯/活性炭复合材料制备过程[21]
3）碳气凝胶掺杂。碳气凝胶是由相互连接的均匀碳质颗粒（3～30 nm）组成的孔径小于50 nm的纳米材料。CISZEWSK等[26]将还原氧化石墨烯、石墨烯分别和碳气凝胶复合，发现氧化石墨烯复合的材料介孔比例（80%）高于石墨烯复合的材料，但是比表面积（531 m2/g）低于石墨烯复合的材料（629m2/g）。LIU等[27]制备了含碳气凝胶添加剂的还原氧化石墨烯电极，制备过程如图2所示，石墨烯作为柔性桥形成“面-点”导电网络，改善电极内的电子转移效率。复合材料与还原氧化石墨烯相比介孔比例增加，比表面积由407 m2/g增长到648.4 m2/g，用作电吸附脱盐获得了98%的极高脱盐效率。4）碳纳米管掺杂。碳纳米管是一种具有独特中空结构的纳米材料，与石墨烯复合时，碳纳米管作为导电网络与相邻的石墨烯互连，可以抑制石墨烯的聚集，方便离子进入多孔结构，缩短了离子传输路径，增强了石墨烯材料的吸附效果[28]。ZHANG等[29]通过改进的热剥离法制备石墨烯/碳纳米管复合材料并用做CDI电极，碳纳米管材料插入到石墨烯片层间，提高了垂直方向的电导率，改善了石墨烯材料的孔隙结构，比表面积可达到479.5 m2/g，对NaCl溶液吸附容量达到1.41 mg/g，高于单独石墨烯电极材料（1.10 mg/g）。XU等人[30]设计并采用直接冷冻干燥混合液-氮气退火法制备了新型海绵结构的石墨烯/碳纳米管电极材料，该材料呈现分级多孔结构，碳纳米管掺杂量为20%时海绵结构材料的比表面积最大为498.2 m2/g，并且作为CDI电极展现出良好的吸附效果。
2010年以来，针对金属氧化物掺杂的石墨烯电极导电性研究已经取得一定的成果。在常见的掺杂金属氧化物中，TiO2具有成本低、化学惰性好、环保且易于锚定在碳结构中等优点，成为关注度较高的掺杂对象。YIN等[32]在石墨烯材料中掺杂TiO2纳米颗粒，其反应过程如图3所示，制备的石墨烯/TiO2复合材料，在CV扫描速率为100 mV/s和5 m V/s时的比电容分别为119.7 F/g和142.6 F/g，远高于石墨烯原材料的比电容。EL-DEEN等[33]制备了石墨烯/MnO2纳米复合电极材料，研究了颗粒状和棒状的MnO2纳米材料掺杂对电极的形貌以及性能的影响，发现棒状材料掺杂的电化学性能更好，比电容达到292 F/g，电吸附量为5.01 mg/g，脱盐率可达到93%。LI等[34]用水热法制备了还原氧化石墨烯/Fe3O4纳米复合材料，Fe3O4表面的羟基化使复合材料的电吸附能力和电流效率比还原氧化石墨烯材料高出近两倍，Langmuir等温线预测的最大电吸附容量约8.33 mg/g。金属氧化物的掺杂使石墨烯基复合材料具有优异的电化学性能，但是可能会在复合电极表面发生电化学反应，造成溶液被生成的产物所污染；同时，金属氧化物的存在可能会加速石墨烯基材质的氧化。因此需要进一步验证实际应用性。2.3.2 石墨烯/导电聚合物掺杂
【参考文献】：
期刊论文
[1]从低能耗脱盐到资源回收的电容去离子技术在环境领域的研究进展[J]. 王凯军,房阔,宫徽,何文妍. 环境工程学报. 2018(08)
[2]石墨烯基电极材料的设计和构建及其在电容去离子中的应用[J]. 王雷,于飞,马杰. 物理化学学报. 2017(07)
[3]高性能海水淡化反渗透膜的制备及其性能研究[J]. 梁松苗,蔡志奇,胡利杰,吴宗策,金焱. 水处理技术. 2015(03)
[4]海水淡化技术研究新进展和发展趋势[J]. 满曰南,王晓娟,王银涛,房雅娟. 工业水处理. 2014(11)
[5]海水淡化技术现状及新技术评述[J]. 王宏涛,李保安,刘兵. 盐业与化工. 2014(06)
[6]界面聚合法制备聚哌嗪酰胺复合纳滤膜[J]. 杨静,曾宪琴,王丽红,李德玲,王伟. 化学研究与应用. 2010(04)
博士论文
[1]亲水性石墨烯及其复合材料的制备与性能研究[D]. 王鹏君.燕山大学 2016
本文编号：3509921
【文章来源】：水处理技术. 2020,46(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
石墨烯/活性炭复合材料制备过程[21]
3）碳气凝胶掺杂。碳气凝胶是由相互连接的均匀碳质颗粒（3～30 nm）组成的孔径小于50 nm的纳米材料。CISZEWSK等[26]将还原氧化石墨烯、石墨烯分别和碳气凝胶复合，发现氧化石墨烯复合的材料介孔比例（80%）高于石墨烯复合的材料，但是比表面积（531 m2/g）低于石墨烯复合的材料（629m2/g）。LIU等[27]制备了含碳气凝胶添加剂的还原氧化石墨烯电极，制备过程如图2所示，石墨烯作为柔性桥形成“面-点”导电网络，改善电极内的电子转移效率。复合材料与还原氧化石墨烯相比介孔比例增加，比表面积由407 m2/g增长到648.4 m2/g，用作电吸附脱盐获得了98%的极高脱盐效率。4）碳纳米管掺杂。碳纳米管是一种具有独特中空结构的纳米材料，与石墨烯复合时，碳纳米管作为导电网络与相邻的石墨烯互连，可以抑制石墨烯的聚集，方便离子进入多孔结构，缩短了离子传输路径，增强了石墨烯材料的吸附效果[28]。ZHANG等[29]通过改进的热剥离法制备石墨烯/碳纳米管复合材料并用做CDI电极，碳纳米管材料插入到石墨烯片层间，提高了垂直方向的电导率，改善了石墨烯材料的孔隙结构，比表面积可达到479.5 m2/g，对NaCl溶液吸附容量达到1.41 mg/g，高于单独石墨烯电极材料（1.10 mg/g）。XU等人[30]设计并采用直接冷冻干燥混合液-氮气退火法制备了新型海绵结构的石墨烯/碳纳米管电极材料，该材料呈现分级多孔结构，碳纳米管掺杂量为20%时海绵结构材料的比表面积最大为498.2 m2/g，并且作为CDI电极展现出良好的吸附效果。
2010年以来，针对金属氧化物掺杂的石墨烯电极导电性研究已经取得一定的成果。在常见的掺杂金属氧化物中，TiO2具有成本低、化学惰性好、环保且易于锚定在碳结构中等优点，成为关注度较高的掺杂对象。YIN等[32]在石墨烯材料中掺杂TiO2纳米颗粒，其反应过程如图3所示，制备的石墨烯/TiO2复合材料，在CV扫描速率为100 mV/s和5 m V/s时的比电容分别为119.7 F/g和142.6 F/g，远高于石墨烯原材料的比电容。EL-DEEN等[33]制备了石墨烯/MnO2纳米复合电极材料，研究了颗粒状和棒状的MnO2纳米材料掺杂对电极的形貌以及性能的影响，发现棒状材料掺杂的电化学性能更好，比电容达到292 F/g，电吸附量为5.01 mg/g，脱盐率可达到93%。LI等[34]用水热法制备了还原氧化石墨烯/Fe3O4纳米复合材料，Fe3O4表面的羟基化使复合材料的电吸附能力和电流效率比还原氧化石墨烯材料高出近两倍，Langmuir等温线预测的最大电吸附容量约8.33 mg/g。金属氧化物的掺杂使石墨烯基复合材料具有优异的电化学性能，但是可能会在复合电极表面发生电化学反应，造成溶液被生成的产物所污染；同时，金属氧化物的存在可能会加速石墨烯基材质的氧化。因此需要进一步验证实际应用性。2.3.2 石墨烯/导电聚合物掺杂
【参考文献】：
期刊论文
[1]从低能耗脱盐到资源回收的电容去离子技术在环境领域的研究进展[J]. 王凯军,房阔,宫徽,何文妍. 环境工程学报. 2018(08)
[2]石墨烯基电极材料的设计和构建及其在电容去离子中的应用[J]. 王雷,于飞,马杰. 物理化学学报. 2017(07)
[3]高性能海水淡化反渗透膜的制备及其性能研究[J]. 梁松苗,蔡志奇,胡利杰,吴宗策,金焱. 水处理技术. 2015(03)
[4]海水淡化技术研究新进展和发展趋势[J]. 满曰南,王晓娟,王银涛,房雅娟. 工业水处理. 2014(11)
[5]海水淡化技术现状及新技术评述[J]. 王宏涛,李保安,刘兵. 盐业与化工. 2014(06)
[6]界面聚合法制备聚哌嗪酰胺复合纳滤膜[J]. 杨静,曾宪琴,王丽红,李德玲,王伟. 化学研究与应用. 2010(04)
博士论文
[1]亲水性石墨烯及其复合材料的制备与性能研究[D]. 王鹏君.燕山大学 2016
本文编号：3509921
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