一種海水除鹽用石墨烯多孔電極材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電極材料及其制備方法，具體地說(shuō)是一種海水除鹽用石墨烯多孔電極材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著水污染日益嚴(yán)重，加上工業(yè)廢水的處理利用困難，淡水資源變得形式嚴(yán)峻。海洋雖然擁有豐富的水資源，但鹽度高，一般不能直接工業(yè)或生活應(yīng)用。因此，目前迫切需要海水脫鹽淡化新技術(shù)。
[0003]目前海水除鹽技術(shù)包括蒸餾法和電容去離子法。蒸餾法雖然能夠大規(guī)模進(jìn)行海水脫鹽，但由于在海水脫鹽過(guò)程中會(huì)消耗大量能量，一般海水淡化的成本較高。電容去離子法采用低壓直流電容技術(shù)對(duì)海水中的帶電離子進(jìn)行雙電層吸附達(dá)到除鹽凈化的目的。該方法能耗低、除鹽迅速、安全可靠是目前大力發(fā)展的海水除鹽技術(shù)。但電容去離子法采用的電極材料一般耐腐蝕性較差、受比表面積的限制，除鹽容量一般都不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種組成合理，具有高的離子容量和良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性，制備工藝簡(jiǎn)便的海水除鹽用石墨烯多孔電極材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是:一種海水除鹽用石墨烯多孔電極材料，其特征在于:其以石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布為原料，經(jīng)預(yù)氧化熱處理和高溫碳化得到納米碳纖維與石墨稀均勾、連續(xù)分布的多孔電極材料，其比表面積120~437 m2/g，孔徑2_100nmo
[0006]本發(fā)明上述海水除鹽用石墨烯多孔電極材料的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟:
(I)制備石墨稀/聚丙稀腈復(fù)合無(wú)紡租布以聚丙稀腈(PAN)粉末、石墨稀、無(wú)水氯化鋰(LiCl)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)為原料，配制均勻粘稠的黑色石墨烯/聚丙烯腈分散液，其中聚丙烯腈(PAN)粉末質(zhì)量含量為(以下同)10-15%、石墨烯0.1-2.5%、無(wú)水氯化鋰(LiCl) 1-2.6%、其余為N，N-二甲基甲酰胺(DMF);將制備的石墨烯/聚丙烯腈分散液進(jìn)行靜電紡絲；紡絲參數(shù)采用電壓20-25 kV，紡絲距離15-25cm，紡絲時(shí)間6_20h，制備得到石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布；
(2)對(duì)上述石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布進(jìn)行預(yù)氧化熱處理，以2-6°C /min從室溫升至180-200°C，再以1-5°C /min升至250-300°C，保溫0.5_lh，隨爐冷卻至室溫，形成熱固性的石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布；而后對(duì)預(yù)氧化處理后的石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布進(jìn)行高溫碳化處理，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，以5-10°C /min升溫至800-1100°C，并保溫l-2h進(jìn)行碳化，制備出石墨稀多孔電極材料。
[0007]所述石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布預(yù)氧化熱處理采用不銹鋼篩網(wǎng)為襯底，用夾子將該氈布固定在不銹鋼篩網(wǎng)上。
[0008]本發(fā)明制備得到的石墨烯多孔電極材料，對(duì)海水除鹽有顯著效果。添加石墨烯后的多孔電極材料整體導(dǎo)電性好，不需要粘結(jié)劑補(bǔ)強(qiáng)，并且石墨烯的添加大大增加了多孔電極材料的比表面積和電導(dǎo)率。石墨烯多孔電極材料主要成分是碳元素，耐腐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬電極材料。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明石墨烯多孔電極材料的SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0011]—種海水除鹽用石墨烯多孔電極材料，其以石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布為原料，經(jīng)預(yù)氧化熱處理和高溫碳化得到納米碳纖維與石墨烯均勻、連續(xù)分布的多孔電極材料，其由直徑150-400nm的納米碳纖維和均勾分布的石墨稀材料構(gòu)成，比表面積120~437 m2/g,孔徑 2-1OOnm0
[0012]本發(fā)明上述海水除鹽用石墨烯多孔電極材料的制備方法，其包括以下步驟:
(I)制備石墨稀/聚丙稀腈復(fù)合無(wú)紡租布以聚丙稀腈(PAN)粉末、石墨稀、無(wú)水氯化鋰(LiCl)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)為原料，配制均勻粘稠的黑色石墨烯/聚丙烯腈分散液，其中聚丙烯腈(PAN)粉末質(zhì)量含量為(以下同)10-15%、石墨烯0.1-2.5%、無(wú)水氯化鋰(LiCl) 1-2.6%、其余為N，N-二甲基甲酰胺(DMF);將制備的石墨烯/聚丙烯腈分散液進(jìn)行靜電紡絲；紡絲參數(shù)采用電壓20-25 kV，紡絲距離15-25cm，紡絲時(shí)間6_20h，制備得到石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布；
(2)對(duì)上述石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布進(jìn)行預(yù)氧化熱處理，以2-6°C /min從室溫升至180-200°C，再以1-5°C /min升至250-300°C，保溫0.5_lh，隨爐冷卻至室溫，形成熱固性的石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布；而后對(duì)預(yù)氧化處理后的石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布進(jìn)行高溫碳化處理，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，以5-10°C /min升溫至800-1100°C，并保溫l-2h進(jìn)行碳化，制備出石墨稀多孔電極材料。
[0013]制備的石墨烯多孔電極材料的照片如下圖1所示。
[0014]實(shí)施例1:一種海水除鹽用石墨烯多孔電極材料的制備方法，
(O制備石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布:首先進(jìn)行靜電紡絲液的配制，以聚丙烯腈(PAN)粉末質(zhì)量含量12%、石墨稀質(zhì)量含量0.2%、無(wú)水氯化鋰(LiCl)質(zhì)量含量1%、其余為N, N- 二甲基甲酰胺(DMF)溶液。用量筒量取DMF溶液200ml (密度為0.945-0.950g/ml)倒入燒杯中，放入磁力攪拌轉(zhuǎn)子并置于磁力攪拌器上開(kāi)始攪拌。稱量石墨烯0.2g緩慢倒入燒杯中攪拌Ih后再超聲lh，然后稱量PAN粉末31.2g緩慢倒入上述混合溶液中，并稱量0.6g無(wú)水氯化鋰倒入燒杯中，用保鮮膜密封燒杯口，加熱半個(gè)小時(shí)后溫度到達(dá)60°C，繼續(xù)攪拌2個(gè)小時(shí)后停止攪拌，超聲Ih后，放于陰涼處?kù)o置。靜電紡絲電壓20kV，紡絲距離10cm，在自制轉(zhuǎn)筒多針頭靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行靜電紡絲，獲得石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布。
[0015](2)石墨稀/多孔電極材料的制備。首先對(duì)石墨稀/聚丙稀腈復(fù)合無(wú)紡租布進(jìn)行預(yù)氧化熱處理，獲得熱固性無(wú)紡氈布。采用不銹鋼篩網(wǎng)為襯底，原因是其可以保證纖維能夠受熱均勻，并且與氧氣充分接觸。為保持原有的宏觀形態(tài)不變，原絲氈布周圍用夾子固定，并以2°C /min從室溫升至200 °C，再以1°C /min升至250 °C，保溫lh，隨爐冷卻至室溫。進(jìn)而對(duì)經(jīng)預(yù)氧化的石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布碳化處理。在氮?dú)鈿夥障?純度:99.99-99.999%)，以5°C /min升溫至800°C進(jìn)行碳化，最后獲得石墨烯多孔電極材料。
[0016]實(shí)施例2 —種海水除鹽用石墨烯多孔電極材料的制備方法，
(O制備石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布:首先進(jìn)行靜電紡絲液的配制，以聚丙烯腈(PAN)粉末質(zhì)量含量15%、石墨烯質(zhì)量含量2.0%、無(wú)水氯化鋰(LiCl)質(zhì)量含量2.6%、其余為N, N- 二甲基甲酰胺(DMF)溶液。用量筒量取DMF溶液200ml (密度為0.945-0.950g/ml)倒入燒杯中，放入磁力攪拌轉(zhuǎn)子并置于磁力攪拌器上開(kāi)始攪拌。稱量石墨烯2.2g緩慢倒入燒杯中攪拌Ih后再超聲lh，然后稱量PAN粉末31.2g緩慢倒入上述混合溶液中，并稱量2.2g無(wú)水氯化鋰倒入燒杯中，用保鮮膜密封燒杯口，加熱半個(gè)小時(shí)后溫度到達(dá)60°C，繼續(xù)攪拌3個(gè)小時(shí)后停止攪拌，超聲Ih后，放于陰涼處?kù)o置。靜電紡絲電壓25kV，紡絲距離22cm，在自制轉(zhuǎn)筒多針頭靜電紡絲設(shè)備上進(jìn)行靜電紡絲，獲得石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布。
[0017](2)石墨稀/多孔電極材料的制備。首先對(duì)石墨稀/聚丙稀腈復(fù)合無(wú)紡租布進(jìn)行預(yù)氧化熱處理，獲得熱固性無(wú)紡氈布。采用不銹鋼篩網(wǎng)為襯底，原因是其可以保證纖維能夠受熱均勻，并且與氧氣充分接觸。為保持原有的宏觀形態(tài)不變，原絲氈布周圍用夾子固定，并以6°C /min從室溫升至200°C，再以1°C /min升至300°C，保溫lh，隨爐冷卻至室溫。進(jìn)而對(duì)經(jīng)預(yù)氧化的石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布碳化處理。在氮?dú)鈿夥障?純度:99.99-99.999%)，以10°C /min升溫至1100°C進(jìn)行碳化，最后獲得石墨烯多孔電極材料。
[0018]為進(jìn)一步闡明石墨烯多孔電極材料的具體應(yīng)用，下面以制備出的石墨烯多孔電極材料做為電容去離子電極，進(jìn)行海水除鹽實(shí)驗(yàn):
將納米復(fù)合碳纖維/石墨烯電極以正負(fù)極依次交錯(cuò)的形式接入直流穩(wěn)壓電源，從而使電極為正極負(fù)極依次交錯(cuò)分布。實(shí)驗(yàn)時(shí)將適量配好的一定濃度的氯化鈉溶液置于進(jìn)水水箱中，經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)蠕動(dòng)栗以一定的流速向電吸附反應(yīng)器中流動(dòng)。在出水處，每隔一定的時(shí)間(30s)取水出并測(cè)定出水電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，首先是電吸附反應(yīng)，當(dāng)吸附進(jìn)行一段時(shí)間后，出水電導(dǎo)率降低到一定值，達(dá)到吸附平衡，此時(shí)將電源斷開(kāi)，并將正負(fù)極短接，再繼續(xù)進(jìn)行脫附反應(yīng)，直至出水電導(dǎo)率與進(jìn)水電導(dǎo)率基本相同，這就是一個(gè)完整的電吸附過(guò)程。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種海水除鹽用石墨烯多孔電極材料，其特征在于:其以石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布為原料，經(jīng)預(yù)氧化熱處理和高溫碳化得到納米碳纖維與石墨烯均勻、連續(xù)分布的多孔電極材料，其比表面積120~437 m2/g，孔徑2-100nmo2.—種權(quán)利要求1所述的海水除鹽用石墨烯多孔電極材料的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟: (I)制備石墨稀/聚丙稀腈復(fù)合無(wú)紡租布以聚丙稀腈粉末、石墨稀、無(wú)水氯化鋰、N, N-二甲基甲酰胺為原料，配制均勻粘稠的黑色石墨烯/聚丙烯腈分散液，其中聚丙烯腈粉末質(zhì)量含量為10-15%、石墨烯0.1-2.5%、無(wú)水氯化鋰1-2.6%、其余為N，N-二甲基甲酰胺；將制備的石墨烯/聚丙烯腈分散液進(jìn)行靜電紡絲；紡絲參數(shù)采用電壓20-25 kV，紡絲距離15-25cm，紡絲時(shí)間6-20h，制備得到石墨稀/聚丙稀腈復(fù)合無(wú)紡租布； (2)對(duì)上述石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布進(jìn)行預(yù)氧化熱處理，以2-6°C /min從室溫升至180-200°C，再以1-5°C /min升至250-300°C，保溫0.5_lh，隨爐冷卻至室溫，形成熱固性的石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布；而后對(duì)預(yù)氧化處理后的石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布進(jìn)行高溫碳化處理，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，以5-10°C /min升溫至800-1100°C，并保溫l-2h進(jìn)行碳化，制備出石墨稀多孔電極材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海水除鹽用石墨烯多孔電極材料的制備方法，其特征在于，所述石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布預(yù)氧化熱處理采用不銹鋼篩網(wǎng)為襯底，用夾子將該氈布固定在不銹鋼篩網(wǎng)上。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種海水除鹽用石墨烯多孔電極材料和其制備方法，其以石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布為原料，經(jīng)預(yù)氧化熱處理和高溫碳化得到納米碳纖維與石墨烯均勻、連續(xù)分布的多孔電極材料，由石墨烯和直徑150-400nm的納米碳纖維構(gòu)成，其比表面積120-437m2/g，孔徑2-100nm。石墨烯/聚丙烯腈復(fù)合無(wú)紡氈布采用靜電紡絲法制備，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，降低了制造成本。制備的電極材料有高的離子容量和良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性，特別適合海水淡化除鹽用。
【IPC分類】C02F103/08, C02F1/469
【公開(kāi)號(hào)】CN105110430
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510445097
【發(fā)明人】張濤, 張麗娟, 溫廣武
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）
【公開(kāi)日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年8月21日