[发明专利]一种石墨烯/NiO纳米复合气凝胶电容脱盐电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容脱盐电极，具体涉及一种包含石墨烯/NiO纳米复合气凝胶活性组分的电容脱盐电极及其制备方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

淡水资源是人类社会赖以生存的自然资源，然而地球98％的水是由海水和咸水组成的，另外，废水中还含有浓度不等的盐类，盐离子进入环境可能污染土壤和地下水，危害生物。因此发展高效廉价的脱盐技术将能为解决水资源需求提高一个实质性的解决方法。低驱动能量，低成本，无二次污染的电容去离子技术(CapacitiveDesalination，简称CDI)应运而生。电容去离子技术原理是：通过在电极材料施加静电场，一定浓度的电解质溶液通过时会强制离子向带有相反电荷的电极处移动，达到在电极材料界面的双电层内富集电解质，从而达到降低溶液电解质浓度的目的。电容脱盐和超级电容器(双电层型)基本原理相同，但电容脱盐过程关注物质(离子)的存储与释放，而超级电容器强调能量的存储与释放。和传统脱盐方法相比，CDI的一个重要特点：脱盐过程伴随着能量的存储，此部分能量可以类似超级电容器放电过程重新利用。较之传统的脱盐方法，成本低、脱盐效率高、工艺设备简单、没有二次污染、对环境友好的优点，电容去离子技术在海水淡化、废水脱盐等领域具有良好的运用前景，并且成为了当今研究的热点。

石墨烯其独特的结构赋予石墨烯优异的电学、力学、热学、光学等性能，然而，本征石墨烯展现出的化学惰性、难分散，片层间的π－π相互作用以及范德华作用促使石墨烯发生不可逆凝聚，这成为石墨烯二维材料在某些领域应用的巨大障碍，石墨烯的易团聚性也导致了其制备技术条件苛刻，产率低。因此解决石墨烯的团聚问题、产率问题和提高石墨烯比电容是实现石墨烯电容脱盐实用化的关键。近年来，操纵石墨烯组装为具有不同维度(一维、二维、三维)的宏观体材料，成为石墨烯最为重要的研究方向之一，经特定组装方式获得三维石墨烯材料，并能够最大程度上展现石墨烯二维片层的性质，对于扩展石墨烯宏观材料应用具有重要意义。石墨烯气凝胶(GA)就是一种典型的三维石墨烯材料，它具有石墨烯的纳米特性和气凝胶的宏观结构，并具有很强的机械强度、电子传导能力是一种具有高比表面积、高孔隙率、良好的导电与导热性以及优异机械强度的新型纳米功能材料，在能源存储与转换、水处理及传感等领域受到广泛关注。。

对于脱盐电极而言，高比电容意味着高脱盐量。尽管人们已针对石墨烯电极做了大量研究，并取得了一些阶段性的研究成果，但是碳电极的电荷储存为二维过程，仅发生在电极材料的表面，产生的比电容较小，在很大程度上制约着CDI技术脱盐效率的进一步提升。

发明内容

针对现有技术存在的以上问题，本发明的目的是在于提供一种具有法拉第准电容与双电层电容协同脱盐效果的电容脱盐电极，该电极包含的石墨烯/NiO纳米复合气凝胶活性组分由氧化镍的掺入氧化石墨烯提供了较高的法拉第电容，显著提高了复合材料的电容脱盐性能。

本发明的另一个方法是在于提供一种操作简单、低成本的制备所述电容脱盐电极的方法。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种电容脱盐电极，包括电极材料和石墨纸基底，所述电极材料包含石墨烯/NiO纳米复合气凝胶组分，所述石墨烯/NiO纳米复合气凝胶由纳米NiO原位生长在三维网络状石墨烯气凝胶的表面及其孔洞中构成。

本发明的电容脱盐电极中活性组分石墨烯/NiO纳米复合气凝胶由氧化镍纳米片原位生长在具有三维网络结构的氧化石墨烯气溶胶骨架表面构成，两者完美结合，氧化石墨烯气溶胶具有强电子导电能力，且比表面积高，孔隙率高的特点，提高了复合材料与电解液的接触界面，获得较高的双电层电容，同时氧化镍能提供较高的法拉第电容，两者协同增效，显著提高复合材料的电容脱盐性能。

本发明的技术方案中在氧化石墨烯气溶胶中引入纳米氧化镍，两者之间的优缺互补，协同增效作用明显增强。石墨烯气凝胶具有稳定性好的三维网络结构，比表面积大的优点，但其仅具有双电层电容，比电容不高，且容易团聚。而氧化镍原位生长在石墨烯气凝胶的表面及微孔中，一方面利用氧化镍的高法拉第赝电容对石墨烯气凝胶表面电化学性能进行改性，提高复合材料的电容，显著提高了材料的电容脱盐性能，另一方面利用部分纳米NiO嵌入氧化石墨烯的微孔中，解决石墨烯容易团聚的问题，提高复合材料的稳定性。