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如何改进石墨烯基电吸附电极材料?


来源:中国粉体网   江岸

[导读]  石墨烯材料具有优异的电子传输、导热、机械加工性能及高比表面积、高比电容等优势,在电容去离子技术(CDI)领域有广泛应用前景。但石墨烯存在层间堆垛现象,导致实际比表面积和比电容远小于理论值,其微孔双电层也因重叠而减弱,导致吸附容量降低,限制了石墨烯性能发挥,同时其疏水性也限制CDI脱盐性能。改进石墨烯基电极材料提高CDI脱盐性能主要从以下几个方面进行:

中国粉体网讯  石墨烯材料具有优异的电子传输、导热、机械加工性能及高比表面积、高比电容等优势,在电容去离子技术(CDI)领域有广泛应用前景。但石墨烯存在层间堆垛现象,导致实际比表面积和比电容远小于理论值,其微孔双电层也因重叠而减弱,导致吸附容量降低,限制了石墨烯性能发挥,同时其疏水性也限制CDI脱盐性能。改进石墨烯基电极材料提高CDI脱盐性能主要从以下几个方面进行:

 

优化石墨烯电极材料设计


完整的石墨烯表面呈惰性,不易与其他物质相互作用,层间存在较强范德华力,易产生聚集,导致石墨烯难融入水及其他溶剂中。通过利用石墨烯边沿/缺陷处的活性位点,引入羟基、羧基、磺酸基等亲水基团可改变石墨烯的亲/疏水性能。研究发现磺化改性法,即含磺酸基官能团物质与石墨烯/氧化石墨烯反应成键得到结构稳定的复合材料,既可保持石墨烯的原有性能,又能提高其水中分散性。


优化石墨烯电极材料比表面积/孔隙


比表面积是电极材料的关键性能参数,比表面积越大,电极和溶液的接触面越大,吸附位点越多,离子吸附量和吸附速率越高。综合考虑比表面积和孔隙在CDI脱盐过程中的不同作用,需要设计适宜孔隙结构,只有孔径大小合理分布才能发挥石墨烯电极材料的优异性能。常见的方法主要有以下两种:


  • 三维结构化设计:将石墨烯材料进行三维结构化设计,减弱二维石墨烯材料片层间“层-层”堆垛的影响,提高比表面积,改善孔隙结构。


  • 多孔碳掺杂:将石墨烯与多孔碳材料进行复合,能够有效改善石墨烯比表面积/孔隙结构。常见的多孔碳材料有:活性炭、介孔碳、碳气凝胶、碳纳米管、活性炭纳米纤维等。


优化石墨烯电极材料导电性


CDI电极应选择具有较高比电容的材料。同条件下,电极材料的比电容越高,其双电层电容越高,对离子的吸附能力越强,脱盐效果越好;同时,法拉第电容越高,同等条件下电极的导电性越强,消耗的内阻电势越小,电极离子吸附量越高。对于石墨烯材料,目前常用掺杂/负载导电性物质以改进其导电性,主要方法包括金属氧化物的掺杂、导电聚合物的掺杂和氮掺杂。


  • 石墨烯/金属氧化物掺杂:金属氧化物纳米粒子如TiO2、MnO2、Co3O4、Fe3O4等嵌入可明显改善石墨烯电化学性能,提高电容量,有效解决团聚问题。


  • 石墨烯/导电聚合物掺杂:导电聚合物是由有延伸的共轭π键的高分子主链经化学或电化学掺杂而显示半导体甚至导体性质的聚合物,石墨烯材料与导电聚合物间的电子传递可实现电极材料性能的进一步增强与扩展。


  • 氮掺杂石墨烯基电极:N掺杂除提高材料的导电性,还可引入大量缺陷结构,产生更多接触面积,增强石墨烯材料吸附活性。


促进石墨烯基电极吸附材料的大规模推广应用,还应继续探索以下问题:

  1. 1)探讨制备工艺对石墨烯基材料的影响,优化石墨烯基材料在工艺多样性条件下的材料性能稳定;

  2. 2)系统性研究石墨烯基材料的微观结构构建,解决团聚问题,设计并制备高亲水性、高比表面积、合适的孔隙、高导电性的材料;

  3. 3)加强对石墨烯基电极材料综合性能评估,CDI电极脱盐效果受导电性能、比表面积、孔径、电导率、比电容等综合影响。


参考资料:

徐斌. 石墨烯基电吸附电极材料的研究进展

王雷. 石墨烯基电极材料的设计和构建及其在电容去离子中的应用

王鹏君. 亲水性石墨烯及其复合材料的制备与性能研究


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