[发明专利]碳纳米管/石墨烯三维纳米结构电容型脱盐电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管/石墨烯三维纳米结构电容型脱盐电极的制备方法，本发明制备的脱盐电极具有高效、低能耗的脱盐性能。属电脱盐电极制造工艺技术领域。本发明可以用于可应用于海水和苦碱水的淡化，工、农业生产和生活用水（地下水）的软化。

背景技术

水资源危机是本世纪全球面临的最大资源危机之一，海水与苦咸水脱盐淡化是解决该危机的重要途径。现有的脱盐方法主要有蒸馏法和膜法。蒸馏法操作温度高，能耗较大；锅垢危害及腐蚀严重；膜法对膜性能要求严格，膜损坏率高且费用昂贵。另外，这些脱盐方法均存在能耗高的缺点，即便是耗能最低的反渗透膜法，其能耗也是理论值的十倍左右。因此，研发能耗低、成本低的脱盐技术应用前景十分光明。电容型脱盐法是一种基于双电层电容远离的全新脱盐技术。该方法能耗低、脱盐效率高，对环境友好。可应用于海水和苦咸水的淡化、以及工、农业生产和生活用水的软化等方面, 其发展空间和应用前景广阔。

石墨烯作为一种新兴的二维蜂窝状结构的碳材料，是构成石墨的基本单元。其具有良好的导电性、较宽的电化学窗口，高化学稳定性、及较大的比表面积。虽然石墨烯的理论比表面积很大，但是由于片与片之间较强的范德华力，易发生层与层之间的叠层以及团聚等现象，使得石墨烯比表面积大大降低，因而降低了脱盐性能。Pan等人（L i H.B, Zou L.D. Lu T A comparative study on electrosorptive behavior of carbon nanotubes and graphene for capacitive deionization Journal of Electroanalytical Chemistry 653 (2011) 40–44）制备了石墨烯脱盐电极，其石墨烯团聚严重，比表面积只有77 m²/g，脱盐性能较差。Zou等人（L i H.B, Zou L.D. Pan L.K. Novel Graphene-Like Electrodes for Capacitive Deionization Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 8692–8697）制备了石墨烯脱盐电极团聚比较严重，降低了其脱盐性能。因此，如何解决石墨烯的团聚，提高其有效比表面积，增加纳米孔道，增强其脱盐性能，是一项挑战性的工作。

发明内容

本发明的目的是克服石墨烯电极的缺点，将高比表面积、高导电性的碳纳米管插入到石墨烯层间，使碳纳米管接枝在石墨烯表面，使得石墨烯层与层之间相互分离开，防止石墨烯团聚，以达到提高石墨烯比表面积的目的。碳纳米管嵌入中间可以起到桥联作用将彼此分离的石墨烯连接起来，形成三维导电网络结构，同时可以引入更多纳米孔道，有利于离子扩散，可以大大提高脱盐性能。将特殊中空结构、良好导电性、低电阻率的碳纳米管引入石墨烯层间制备一种新型的碳纳米管/石墨烯三维纳米结构电容型脱盐电极，具有良好的导电性和较好的脱盐性能。

本发明的目的是通过以下技术手段和措施来达到的。

本发明还提供一种碳纳米管/石墨烯三维纳米复合电容型脱盐电极及其制备方法，包括以下步骤：

（1）电极材料的制备：在冰水浴条件下，将石墨在搅拌下缓慢加入到质量分数98%的浓硫酸中，再缓慢加入高锰酸钾，其石墨：浓硫酸：高锰酸钾的质量比为1：40～100：2~8，在32-38 ^oC恒温水浴中，搅拌下保温1-6 h，反应结束后，缓慢加入去离子水稀释，搅拌几分钟，按石墨：H₂O₂的质量比为1：7~10加入质量分数30%的H₂O₂，静置后过滤，充分洗涤滤饼，洗涤至中性，室温下干燥得到氧化石墨；按氧化石墨：碳纳米管的质量比为99：1～4：1，将氧化石墨和碳纳米管超声分散到去离子水中，分散均匀后，抽离干燥；将上述所得的混合物置于预加热的管式炉中，保温一段时间即可得到碳纳米管/石墨烯三维纳米复合材料。

（2）碳纳米管/石墨烯三维纳米复合电容型脱盐电极的制备：在步骤（1）所得的碳纳米管/石墨烯中加入质量分数为5-15%的聚四氟乙烯乳液为粘结剂，混合均匀后涂抹到石墨电极纸上，随后在100-110 ^oC烘干过夜，最终制得碳纳米管/石墨烯复合脱盐电极。