[發(fā)明專(zhuān)利]電容去離子用氮摻雜三維石墨烯/MOF衍生碳復(fù)合電極材料及其制備和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210150492.7
• 申請(qǐng)日: 2022-02-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114496586A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李錦春;劉石;周銀杰;李炳健;徐茜茜
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 常州大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01G11/26
• 分類(lèi)號(hào): H01G11/26;H01G11/24;H01G11/32;H01G11/86;C02F1/469
• 代理公司: 常州市英諾創(chuàng)信專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 32258
• 代理人: 李楠

本發(fā)明屬于電容去離子脫鹽技術(shù)領(lǐng)域，涉及電容去離子用氮摻雜三維石墨烯/MOF衍生碳復(fù)合電極材料及其制備和應(yīng)用。制備包括：先將氧化石墨烯、過(guò)氧化氫和尿素通過(guò)一步水熱法，經(jīng)過(guò)冷凍干燥后得到氮摻雜三維石墨烯；再將氮摻雜三維石墨烯與六水合硝酸鈷分散在甲醇中，得到溶液A；將二甲基咪唑溶于甲醇中得到溶液B；隨后加溶液B加入到溶液A中，充分?jǐn)嚢桁o置，抽濾烘干得氮摻雜三維石墨烯/MOF復(fù)合材料前驅(qū)體；最后在氬氣氣氛下，將前驅(qū)體高溫煅燒，經(jīng)過(guò)酸洗烘干后，得到氮摻雜三維石墨烯/MOF衍生碳復(fù)合電極材料。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單、環(huán)境友好，在電容去離子脫鹽應(yīng)用中具有優(yōu)異的效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電容去離子脫鹽技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及到一種電容去離子用氮摻雜三維石墨烯/MOF衍生碳復(fù)合電極材料及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

電容去離子(CDI)技術(shù)是一種新的脫鹽技術(shù)，它是利用施加的電場(chǎng)形成雙電層電容，溶液中的離子被帶相反電荷的電極吸附，進(jìn)而達(dá)到脫鹽的目的，這種技術(shù)適用于苦咸水或者鹽濃度較低的水域，其成本較低，設(shè)備簡(jiǎn)單，且無(wú)二次污染，是一種廉價(jià)、環(huán)保型脫鹽技術(shù)。CDI的工作原理為：具有一定鹽離子濃度的水溶液經(jīng)過(guò)一對(duì)平行的帶有活性物質(zhì)的碳電極時(shí)，施加在電極兩對(duì)的正負(fù)電壓(一般小于1.23V)使得水溶液中的鹽離子朝著帶相反電荷的電極方向移動(dòng)，到達(dá)電極表面，由于活性物質(zhì)內(nèi)部具有孔隙結(jié)構(gòu)，鹽離子會(huì)被吸附在孔內(nèi)而儲(chǔ)存；當(dāng)施加的電壓反接或者電極短接時(shí)，原先被吸附的離子由于電荷同性相斥作用，從活性物質(zhì)表面或者內(nèi)部孔隙開(kāi)始被排出，電極得到再生。CDI具有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，例如：成本低廉、能耗低和綠色環(huán)保等，但是其也存在著一些不足，目前CDI只能被應(yīng)用于低濃度鹽水的處理以及如何進(jìn)一步提高電極的使用壽命等，因此CDI被越來(lái)越多的研究者所關(guān)注。

石墨烯是一種具有單原子厚度的二維碳材料，由SP2雜化碳原子排列而成的六角形蜂巢狀晶體結(jié)構(gòu)，具有較大的理論比表面積(2630m²/g)和電導(dǎo)率(7200S/m)，在新能源、光電材料和超級(jí)電容器等領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值。

金屬有機(jī)框架材料(MOF)是一種由金屬離子或者金屬團(tuán)簇和有機(jī)配體自組裝而成的新型有機(jī)/無(wú)機(jī)晶體多孔材料，金屬離子有Zn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Cu²⁺和Al³⁺等，有機(jī)配體通常是羧酸類(lèi)化合物或者含氮的配體。由于MOF具有較大的比表面積、骨架結(jié)構(gòu)多樣性、孔徑可調(diào)和存在大量的活性位點(diǎn)等特點(diǎn)，引起了越來(lái)越多的研究者關(guān)注。通過(guò)改變合成條件和金屬離子/有機(jī)配體的種類(lèi)可以獲得不同功能特性和結(jié)構(gòu)的MOF材料，被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、催化、吸附、分離和水處理等領(lǐng)域。以MOF材料為前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)高溫裂解后生成的MOF衍生碳材料，在很大程度上繼承了MOF材料的優(yōu)異特性，具有超高的比表面積、良好的導(dǎo)電性和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)等。同時(shí)，MOF衍生碳材料具有與普通碳材料相同的穩(wěn)定性和電雙層特性，可作為電極材料應(yīng)用于CDI中，有利于提高脫鹽性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種價(jià)格低廉、環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)單的電容去離子用氮摻雜三維石墨烯/MOF衍生碳復(fù)合電極材料及其制備和應(yīng)用，該方法制備的MOF衍生碳可以較為均勻的分散在石墨烯片層，且形成多孔結(jié)構(gòu)，增加電極材料的比表面積。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采用的技術(shù)方案為：一種電容去離子用氮摻雜三維石墨烯/MOF衍生碳復(fù)合電極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)以氧化石墨烯、過(guò)氧化氫和尿素為原料，通過(guò)水熱反應(yīng)制備氮摻雜三維石墨烯。

具體的，將氧化石墨烯、過(guò)氧化氫和尿素按照一定質(zhì)量比，加入到去離子水中，超聲震蕩1h，加入到高壓釜中，160℃水熱反應(yīng)10h后，經(jīng)過(guò)冷凍干燥，得到氮摻雜三維石墨烯。

(2)將步驟(1)中的氮摻雜三維石墨烯與六水合硝酸鈷按照一定質(zhì)量比依次加入到甲醇中，攪拌均勻后靜置(靜置時(shí)間優(yōu)選24h)，得到溶液A；將一定質(zhì)量的二甲基咪唑加入到甲醇中，得到溶液B。