导电剂/活性炭复合电极制备及不对称电容器脱盐研究

摘要

电容去离子技术，因其能耗低、水回收率高、电极再生简单和无二次污染等特点，是一项具有发展前景的海水、苦咸水淡化技术。但脱盐的电流效率和脱盐吸附量低仍是制约其发展的主要因素。本论文选择化学修饰石墨烯或ZnO为导电剂与活性炭共混，制备不同的导电添加剂/活性炭复合电极并研究了复合电极性能。进一步组装不对称电容器，以改善电极内部微环境，根据掺杂材料表面Zeta电势不同，解决脱盐过程中反离子效应造成的电流效率低、脱盐量低等问题，且掺杂材料导电性优异，可降低电极内阻。本论文主要研究结果如下:
　　1、在还原剂NaBH4存在条件下，采用对氨基苯磺酸重氮盐与氧化石墨(GO)反应，制备磺化石墨烯。傅里叶变换红外光谱(FTIR)证明磺酸基团在石墨烯表面的成功接枝。扫描电子显微镜(SEM)研究了磺化石墨烯表面形貌。以GP-SO3H为添加剂，制备磺化石墨烯/活性炭(GP-SO3H/AC)复合电极。循环伏安(CV)及阻抗分析(EIS)证明了该复合电极的电容特性及导电性有明显改善。并以AC电极为对电极，组装不对称电容器(GP-SO3H/AC|AC)，研究了该不对称电容器的电化学脱盐性能。不对称电容器中由于电极内磺酸基团的存在，电流效率大大提高，电容器的电流效率可达88.2％，单个循环脱盐量达10.87mg/g，相比AC|AC对称电容器，脱盐量提高2.4倍。
　　2、以3-氨丙基三乙氧基硅烷(AMPTS)修饰GO，并经还原合成胺化石墨烯。FTIR和能量色散型X射线光谱分析(EDX)证明了氨基基团的成功接枝。以GP-NH2为添加剂，制备胺化石墨烯/活性炭(GP-NH2/AC)复合电极。CV和EIS证明该复合电极具有良好的电容特性和导电性。并以GP-NH2/AC为正极，AC电极为对电极，组装不对称电容器(GP-NH2/AC|AC)，研究了不对称电容器的脱盐性能。试验表明GP-NH2/AC|AC单个循环脱盐量为7.63mg/g，相比AC|AC对称电容器(4.5mg/g)提高了1.7倍，电流效率可达77.63％。
　　以GP-NH2/AC为正极，GP-SO3H/AC为负极，组装正负两极均含有带电荷石墨烯的不对称电容器(GP-NH2/AC|GP-SO3H/AC)，结果发现，GP-NH2/AC|GP-SO3H/AC不对称电容器的平均单循环脱盐量可达10.58mg/g，相比脱盐性能较好的GP-SO3H|AC电容器，容量相当，但单循环的充放电时间缩短了1/3，电极吸脱附可逆性更好，脱盐速率更快，电流效率增加到92.79％;证明正负极的修饰，可同时改善正负极的选择性，减小反离子效应，进一步提高电容器的电流效率。经过一周的循环脱盐测试，GP-NH2/AC|GP-SO3H/AC脱盐量只下降了15％。
　　3、以氧化锌纳米粒子为添加剂，制备氧化锌/活性炭复合电极。SEM证明ZnO在AC中均匀分散。且对比两种粒径(ZnO-50，ZnO-200)的ZnO/AC电极的脱盐性能，证明当掺杂ZnO粒径为150～200nm时，所得ZnO/AC电极表面更平整，ZnO/AC|AC电容器脱盐速率更快。并以AC电极为对极，组装ZnO/AC|AC电容器，分别研究了ZnO/AC为正极(+ZnO/AC|AC)和负极(-ZnO/AC|AC)时两种不同电容器的脱盐性能。对比发现-ZnO/AC|AC电容器的脱盐量及稳定性明显优于+ZnO/AC|AC。-ZnO/AC|AC不对称电容器的平均单循环脱盐量为9.35mg/g，平均电流效率为80.53％，相比AC|AC对称电容器，脱盐量和电流效率提高了2倍。而+ZnO/AC|AC不稳定，几个循环后的脱盐量和AC|AC对称电容器的相当，不能改善脱盐效果。进一步通过ZnO纳米粒子的表面Zeta电势分析、电极极化及电极的长期稳定性测试等解释了ZnO作为正极失效的原因，证明了作为负极掺杂剂的可行性和有效性。同时电容器脱盐过程中电极极化现象的首次研究，为电极材料的选择和应用提供非常重要的理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 脱盐技术研究现状

1．3 电容去离子技术(CDI)的概述

1．4 电极材料

1．5 电容器的设计和操作模式

1．6 脱盐的重要参数

1．7 本课题研究工作

第二章 磺化石墨烯／活性炭复合电极的制备及性能

2．1 前言

2．2 实验部分

2．3 结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 胺化石墨烯／活性炭复合电极的制备及性能

3．1 前言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 纳米氧化锌／活性炭复合电极的制备及性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 本工作的创新性

5．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间关于课题取得的研究成果

致谢