石墨烯复合材料的制备及其电容去离子化应用研究

发布时间：2018-10-09 08:34

【摘要】：伴随着世界经济及工业的高速发展,人类面临着能源紧缺和环境污染的诸多挑战。尤其是水资源危机,已经严重影响到了很多国家的发展。鉴于海水储量异常丰富,海水淡化技术发展潜力很大。如何从占世界总储水量96%的海水中获得廉价的淡水成为解决淡水短缺的重要途径之一。电容去离子(Capacitive deionization,CDI),是一种基于电化学双电层电容理论的电吸附脱盐技术。其基本思想是在多孔吸附电极两端施加静电场,在静电场的作用下溶液中电性离子会被强制向带有相反电荷的电极处移动,从而达到除去溶液中电性离子的目的。电容去离子技术的核心和关键是选对高性能的电极材料。与传统多孔碳电极相比,石墨烯(graphene)及其复合材料因具有较高的比表面积和良好的电导率,被认为是一种理想的CDI电极材料。本论文主要是制备了多种石墨烯复合物电极,并系统的研究了其结构,组成,电化学性能和电吸附脱盐性能。主要研究内容和结论分析如下:1.利用石墨烯的含氧官能团与壳聚糖的氨基等基团相互作用力使两者形成稳定的物理凝胶,得到的石墨烯-壳聚糖(Gr-Cs)水凝胶能有效吸附水溶液中的锰、铅、镍等重金属离子。通过此环保方法得到的石墨烯-壳聚糖-四氧化三锰(Gr-Cs-Mn3O4)复合物不仅能有效除去溶液中的重金属离子,高温煅烧形成的过渡金属氧化物还能大大增加Gr-Cs-Mn3O4复合物的电化学性能。结果表明,Gr-Cs-Mn3O4复合物与纯石墨烯相比,不仅比表面积从120增大到240 m2/g,比电容从50增大到190 F/g,电吸附容量更是从6.5增大到12.7 mg/g。另外,吸附了铅、镍等金属离子的石墨烯-壳聚糖凝胶在高温煅烧后分别得到了石墨烯-壳聚糖-氧化铅(Gr-Cs-PbO)和石墨烯-壳聚糖-氧化镍(Gr-Cs-NiO)等复合物,也同样表现出优异的电化学性能。2.通过水热还原法制备得到石墨烯-聚吡咯-锰(RGO-PPy-Mn)复合材料。其中高锰酸钾作为氧化剂在氧化吡咯为聚吡咯的同时,与水热还原的石墨烯片反应生成二氧化锰纳米颗粒。研究结果表明,当吡咯质量不超过氧化石墨烯(GO)质量时,生成的吡咯颗粒能均匀分散在石墨烯中且RGO-PPy-Mn复合物不存在团聚现象。电化学和CDI测试结果显示,RGO-PPy-Mn复合物展现出极佳的比电容(365 F/g)以及较长的循环周期。此方法的关键在于高锰酸钾的加入:(1)被高锰酸钾氧化得到的聚吡咯提高了RGO-PPy-Mn复合物的导电性,使电子通过聚吡咯的连接能够在石墨烯中快速移动;(2)与石墨烯片反应生成的二氧化锰粒子能显著增大RGO-PPy-Mn复合物的比电容;(3)聚吡咯作为石墨烯与二氧化锰的电子传输桥梁,显著改善了二氧化锰导电率不高的缺点。3.利用静电相互作用使带负电的GO和带正电荷的三聚氰胺-甲醛(MF)小球自组装形成紧密复合物,最后经过高温煅烧得到石墨烯复合物(RGO-MF)。通过SEM、BET、XRD、XPS等测试方法对RGO-MF复合物进行结构及化学表征,结果表明RGO-MF复合物具有三维孔洞结构且比表面积达到352 m2/g,氮掺杂含量更高达10.86%。当MF与GO质量比为20:1的时候,得到的石墨烯复合电极(RGO-MF)具有最佳的电化学和CDI性能。4.利用氯化亚铁还原GO得到磁性石墨烯-四氧化三铁(Gr-Fe3O4)水凝胶,并用盐酸原位刻蚀嵌在石墨烯片上Fe3O4粒子,得到介孔均匀分布的石墨烯材料(E-Gr-Fe3O4)。由于石墨烯片上的介孔有利于电子、离子之间的相互传输,增加了石墨烯的活性点,使E-Gr-Fe3O4复合材料在电化学测试中具备更好的循环稳定性,以及优异的比电容(128 F/g)和电吸附容量(10.3 mg/g)。在1.6 V的电压范围内通过使用Freundlich和Langmuir吸附方程对吸附结果进行模拟,发现E-Gr-Fe3O4复合物吸附方式更符合Freundlich等温吸附方程。5.为了阻止石墨烯片层团聚,采用密胺泡沫(PMF)作为支架吸附GO溶液,通过高温煅烧得到氮掺杂的三维多孔石墨烯材料(NRGS)。并在NRGS电极上涂覆上戊二醛交联的季胺化聚乙烯醇(C-qPVA)聚合物作为阴离子交换膜,用于膜CDI技术(MCDI)。研究表明,引入阴离子交换膜后,可有效抑制共离子效应的产生,且使A-NRGS电极的润湿性大大提高,这些都使得A-NRGS电极具备了更大的电吸附容量。最后,研究了E-Gr-Fe3O4电极的电吸附-脱附过程,结果表明经过5次循环之后E-Gr-Fe3O4仍具有较好的可再生性能。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TQ127.11

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本文编号：2258679