石墨烯基電吸附電極材料的研究進展
發(fā)布時間：2021-11-21 17:23
電容去離子技術是一種高效節(jié)能、綠色環(huán)保的基于電化學雙電層電容理論的電吸附脫鹽技術。該技術的關鍵和核心在于電極材料的選擇。石墨烯因具有較高的比表面積、電導率以及優(yōu)異的物理化學特性,被認為是一種理想的電極材料。本文從石墨烯電極材料性能設計角度出發(fā),歸納總結了針對石墨烯材料特性（親水性、比表面積/孔隙、導電性）的研究現(xiàn)狀,分析存在的問題,并展望了石墨烯基電容去離子電極材料的發(fā)展前景。
【文章來源】：水處理技術. 2020,46(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
石墨烯/活性炭復合材料制備過程[21]
3）碳氣凝膠摻雜。碳氣凝膠是由相互連接的均勻碳質顆粒（3～30 nm）組成的孔徑小于50 nm的納米材料。CISZEWSK等[26]將還原氧化石墨烯、石墨烯分別和碳氣凝膠復合，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯復合的材料介孔比例（80%）高于石墨烯復合的材料，但是比表面積（531 m2/g）低于石墨烯復合的材料（629m2/g）。LIU等[27]制備了含碳氣凝膠添加劑的還原氧化石墨烯電極，制備過程如圖2所示，石墨烯作為柔性橋形成“面-點”導電網(wǎng)絡，改善電極內的電子轉移效率。復合材料與還原氧化石墨烯相比介孔比例增加，比表面積由407 m2/g增長到648.4 m2/g，用作電吸附脫鹽獲得了98%的極高脫鹽效率。4）碳納米管摻雜。碳納米管是一種具有獨特中空結構的納米材料，與石墨烯復合時，碳納米管作為導電網(wǎng)絡與相鄰的石墨烯互連，可以抑制石墨烯的聚集，方便離子進入多孔結構，縮短了離子傳輸路徑，增強了石墨烯材料的吸附效果[28]。ZHANG等[29]通過改進的熱剝離法制備石墨烯/碳納米管復合材料并用做CDI電極，碳納米管材料插入到石墨烯片層間，提高了垂直方向的電導率，改善了石墨烯材料的孔隙結構，比表面積可達到479.5 m2/g，對NaCl溶液吸附容量達到1.41 mg/g，高于單獨石墨烯電極材料（1.10 mg/g）。XU等人[30]設計并采用直接冷凍干燥混合液-氮氣退火法制備了新型海綿結構的石墨烯/碳納米管電極材料，該材料呈現(xiàn)分級多孔結構，碳納米管摻雜量為20%時海綿結構材料的比表面積最大為498.2 m2/g，并且作為CDI電極展現(xiàn)出良好的吸附效果。
2010年以來，針對金屬氧化物摻雜的石墨烯電極導電性研究已經(jīng)取得一定的成果。在常見的摻雜金屬氧化物中，TiO2具有成本低、化學惰性好、環(huán)保且易于錨定在碳結構中等優(yōu)點，成為關注度較高的摻雜對象。YIN等[32]在石墨烯材料中摻雜TiO2納米顆粒，其反應過程如圖3所示，制備的石墨烯/TiO2復合材料，在CV掃描速率為100 mV/s和5 m V/s時的比電容分別為119.7 F/g和142.6 F/g，遠高于石墨烯原材料的比電容。EL-DEEN等[33]制備了石墨烯/MnO2納米復合電極材料，研究了顆粒狀和棒狀的MnO2納米材料摻雜對電極的形貌以及性能的影響，發(fā)現(xiàn)棒狀材料摻雜的電化學性能更好，比電容達到292 F/g，電吸附量為5.01 mg/g，脫鹽率可達到93%。LI等[34]用水熱法制備了還原氧化石墨烯/Fe3O4納米復合材料，F(xiàn)e3O4表面的羥基化使復合材料的電吸附能力和電流效率比還原氧化石墨烯材料高出近兩倍，Langmuir等溫線預測的最大電吸附容量約8.33 mg/g。金屬氧化物的摻雜使石墨烯基復合材料具有優(yōu)異的電化學性能，但是可能會在復合電極表面發(fā)生電化學反應，造成溶液被生成的產(chǎn)物所污染；同時，金屬氧化物的存在可能會加速石墨烯基材質的氧化。因此需要進一步驗證實際應用性。2.3.2 石墨烯/導電聚合物摻雜
【參考文獻】：
期刊論文
[1]從低能耗脫鹽到資源回收的電容去離子技術在環(huán)境領域的研究進展[J]. 王凱軍,房闊,宮徽,何文妍. 環(huán)境工程學報. 2018(08)
[2]石墨烯基電極材料的設計和構建及其在電容去離子中的應用[J]. 王雷,于飛,馬杰. 物理化學學報. 2017(07)
[3]高性能海水淡化反滲透膜的制備及其性能研究[J]. 梁松苗,蔡志奇,胡利杰,吳宗策,金焱. 水處理技術. 2015(03)
[4]海水淡化技術研究新進展和發(fā)展趨勢[J]. 滿曰南,王曉娟,王銀濤,房雅娟. 工業(yè)水處理. 2014(11)
[5]海水淡化技術現(xiàn)狀及新技術評述[J]. 王宏濤,李保安,劉兵. 鹽業(yè)與化工. 2014(06)
[6]界面聚合法制備聚哌嗪酰胺復合納濾膜[J]. 楊靜,曾憲琴,王麗紅,李德玲,王偉. 化學研究與應用. 2010(04)
博士論文
[1]親水性石墨烯及其復合材料的制備與性能研究[D]. 王鵬君.燕山大學 2016
本文編號：3509921
【文章來源】：水處理技術. 2020,46(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
石墨烯/活性炭復合材料制備過程[21]
3）碳氣凝膠摻雜。碳氣凝膠是由相互連接的均勻碳質顆粒（3～30 nm）組成的孔徑小于50 nm的納米材料。CISZEWSK等[26]將還原氧化石墨烯、石墨烯分別和碳氣凝膠復合，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯復合的材料介孔比例（80%）高于石墨烯復合的材料，但是比表面積（531 m2/g）低于石墨烯復合的材料（629m2/g）。LIU等[27]制備了含碳氣凝膠添加劑的還原氧化石墨烯電極，制備過程如圖2所示，石墨烯作為柔性橋形成“面-點”導電網(wǎng)絡，改善電極內的電子轉移效率。復合材料與還原氧化石墨烯相比介孔比例增加，比表面積由407 m2/g增長到648.4 m2/g，用作電吸附脫鹽獲得了98%的極高脫鹽效率。4）碳納米管摻雜。碳納米管是一種具有獨特中空結構的納米材料，與石墨烯復合時，碳納米管作為導電網(wǎng)絡與相鄰的石墨烯互連，可以抑制石墨烯的聚集，方便離子進入多孔結構，縮短了離子傳輸路徑，增強了石墨烯材料的吸附效果[28]。ZHANG等[29]通過改進的熱剝離法制備石墨烯/碳納米管復合材料并用做CDI電極，碳納米管材料插入到石墨烯片層間，提高了垂直方向的電導率，改善了石墨烯材料的孔隙結構，比表面積可達到479.5 m2/g，對NaCl溶液吸附容量達到1.41 mg/g，高于單獨石墨烯電極材料（1.10 mg/g）。XU等人[30]設計并采用直接冷凍干燥混合液-氮氣退火法制備了新型海綿結構的石墨烯/碳納米管電極材料，該材料呈現(xiàn)分級多孔結構，碳納米管摻雜量為20%時海綿結構材料的比表面積最大為498.2 m2/g，并且作為CDI電極展現(xiàn)出良好的吸附效果。
2010年以來，針對金屬氧化物摻雜的石墨烯電極導電性研究已經(jīng)取得一定的成果。在常見的摻雜金屬氧化物中，TiO2具有成本低、化學惰性好、環(huán)保且易于錨定在碳結構中等優(yōu)點，成為關注度較高的摻雜對象。YIN等[32]在石墨烯材料中摻雜TiO2納米顆粒，其反應過程如圖3所示，制備的石墨烯/TiO2復合材料，在CV掃描速率為100 mV/s和5 m V/s時的比電容分別為119.7 F/g和142.6 F/g，遠高于石墨烯原材料的比電容。EL-DEEN等[33]制備了石墨烯/MnO2納米復合電極材料，研究了顆粒狀和棒狀的MnO2納米材料摻雜對電極的形貌以及性能的影響，發(fā)現(xiàn)棒狀材料摻雜的電化學性能更好，比電容達到292 F/g，電吸附量為5.01 mg/g，脫鹽率可達到93%。LI等[34]用水熱法制備了還原氧化石墨烯/Fe3O4納米復合材料，F(xiàn)e3O4表面的羥基化使復合材料的電吸附能力和電流效率比還原氧化石墨烯材料高出近兩倍，Langmuir等溫線預測的最大電吸附容量約8.33 mg/g。金屬氧化物的摻雜使石墨烯基復合材料具有優(yōu)異的電化學性能，但是可能會在復合電極表面發(fā)生電化學反應，造成溶液被生成的產(chǎn)物所污染；同時，金屬氧化物的存在可能會加速石墨烯基材質的氧化。因此需要進一步驗證實際應用性。2.3.2 石墨烯/導電聚合物摻雜
【參考文獻】：
期刊論文
[1]從低能耗脫鹽到資源回收的電容去離子技術在環(huán)境領域的研究進展[J]. 王凱軍,房闊,宮徽,何文妍. 環(huán)境工程學報. 2018(08)
[2]石墨烯基電極材料的設計和構建及其在電容去離子中的應用[J]. 王雷,于飛,馬杰. 物理化學學報. 2017(07)
[3]高性能海水淡化反滲透膜的制備及其性能研究[J]. 梁松苗,蔡志奇,胡利杰,吳宗策,金焱. 水處理技術. 2015(03)
[4]海水淡化技術研究新進展和發(fā)展趨勢[J]. 滿曰南,王曉娟,王銀濤,房雅娟. 工業(yè)水處理. 2014(11)
[5]海水淡化技術現(xiàn)狀及新技術評述[J]. 王宏濤,李保安,劉兵. 鹽業(yè)與化工. 2014(06)
[6]界面聚合法制備聚哌嗪酰胺復合納濾膜[J]. 楊靜,曾憲琴,王麗紅,李德玲,王偉. 化學研究與應用. 2010(04)
博士論文
[1]親水性石墨烯及其復合材料的制備與性能研究[D]. 王鵬君.燕山大學 2016
本文編號：3509921
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