石墨烯/碳纳米纤维的电纺合成与电容脱盐性能的研究

摘要

随着世界人口持续增长，各国工业不断的发展，现在很多国家都面临着淡水资源不足的危机，海水淡化成为解决问题的主要方式。电容去离子技术是一种低能耗、环保、高效的海水淡化高新技术，它是利用双电层原理进行吸附和脱盐的一种新型水处理技术。该技术的核心和关键是高性能碳材料电极的制备。本课题以氧化石墨和聚丙烯腈为原料，通过静电纺丝方法成功的制备出一种新型的石墨烯/碳纳米纤维电极材料，对石墨烯/碳纳米纤维进行一系列表征，并重点研究石墨烯对碳纳米纤维的影响以及新型电极的吸附脱盐性能。
　　本文首先利用静电纺丝法制备出氧化石墨/聚丙烯腈纳米纤维材料，通过SEM和Raman研究氧化石墨的添加对纳米纤维的结构及性能的影响。研究发现，氧化石墨的添加使纳米纤维的直径变细，氧化石墨与纤维之间以包裹、嵌入和游离三种方式连接，分析发现氧化石墨与聚丙烯腈纤维的连接形成一个“面到线”的网络结构，这种结构增强了电极的导电性能；TG-DTA曲线分析发现，刚性片层结构的氧化石墨提高了聚丙烯腈纳米纤维的热稳定性以及热效应。
　　将氧化石墨/聚丙烯腈纳米纤维在不同温度下进行预氧化，再在不同温度下进行碳化，通过SEM分析确定预氧化及碳化工艺参数，结果表明纤维在预氧化温度250℃，碳化温度1100℃时得到的碳纳米纤维孔结构较均匀；通过TEM分析发现，高温碳化后的石墨烯与碳纤维的连接方式有三种：包裹、嵌入和游离；XRD和Raman分析表明，石墨烯的存在提高了碳纳米纤维的结晶性能；通过对碳纳米纤维的氮气吸附脱附测试、四探针测试以及拉伸测试，分析发现含有石墨烯的碳纳米纤维电极比表面积提高了43.72 m2/g，电导率提高了近十倍，m(GO：PAN)=0.15:1.0的石墨烯/碳纳米纤维的机械性能符合实验要求。
　　最后，将制备的石墨烯/碳纳米纤维作为电容去离子技术装置中自支撑电极，研究电极的电吸附性能。通过对比实验，研究不同电极对数、电极间距、工作电压、进水流速以及氧化石墨的添加量对电极除盐效率的影响。研究发现，当m(GO：PAN)=0.15:1.0，工作电压1.5 V，电极间距2 mm，进水流速为10 mL/min时，1对石墨烯/碳纳米纤维电极的吸附量可达2.02 mg/g。与文献中传统碳电极材料进行对比发现，本论文制备的新型电极材料在电容脱盐中表现出了较高的吸附量。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 除盐方法概述

1.3 电容吸附去离子法

1.4 静电纺丝技术

1.5 本课题的研究意义及主要内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验原料及仪器设备

2.2 实验装置与方法

2.3 石墨烯/碳纳米纤维电极的制备

2.4 材料成分、结构及形貌表征

第3章 电纺纤维及其碳纳米纤维的制备

3.1 引言

3.2 掺杂剂的选择

3.3 纳米纤维的制备

3.4 纳米纤维的结构表征

3.5 石墨烯/碳纳米纤维的制备

3.6 碳纳米纤维的结构表征与性能研究

3.7 本章小结

第4章 石墨烯/碳纳米纤维的电容脱盐性能的研究

4.1 引言

4.2 电极对电容去离子除盐效率的影响

4.3 工作电压对电极除盐效率的影响

4.4 溶液流速对电极除盐效率的影响

4.5 氧化石墨对电极除盐效率的影响

4.6 实验电极与其它碳电极的对比

4.7 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢