【摘要】：伴隨著世界經(jīng)濟及工業(yè)的高速發(fā)展,人類面臨著能源緊缺和環(huán)境污染的諸多挑戰(zhàn)。尤其是水資源危機,已經(jīng)嚴重影響到了很多國家的發(fā)展。鑒于海水儲量異常豐富,海水淡化技術發(fā)展?jié)摿艽蟆Ｈ绾螐恼际澜缈們λ?6%的海水中獲得廉價的淡水成為解決淡水短缺的重要途徑之一。電容去離子(Capacitive deionization,CDI),是一種基于電化學雙電層電容理論的電吸附脫鹽技術。其基本思想是在多孔吸附電極兩端施加靜電場,在靜電場的作用下溶液中電性離子會被強制向帶有相反電荷的電極處移動,從而達到除去溶液中電性離子的目的。電容去離子技術的核心和關鍵是選對高性能的電極材料。與傳統(tǒng)多孔碳電極相比,石墨烯(graphene)及其復合材料因具有較高的比表面積和良好的電導率,被認為是一種理想的CDI電極材料。本論文主要是制備了多種石墨烯復合物電極,并系統(tǒng)的研究了其結構,組成,電化學性能和電吸附脫鹽性能。主要研究內(nèi)容和結論分析如下:1.利用石墨烯的含氧官能團與殼聚糖的氨基等基團相互作用力使兩者形成穩(wěn)定的物理凝膠,得到的石墨烯-殼聚糖(Gr-Cs)水凝膠能有效吸附水溶液中的錳、鉛、鎳等重金屬離子。通過此環(huán)保方法得到的石墨烯-殼聚糖-四氧化三錳(Gr-Cs-Mn3O4)復合物不僅能有效除去溶液中的重金屬離子,高溫煅燒形成的過渡金屬氧化物還能大大增加Gr-Cs-Mn3O4復合物的電化學性能。結果表明,Gr-Cs-Mn3O4復合物與純石墨烯相比,不僅比表面積從120增大到240 m2/g,比電容從50增大到190 F/g,電吸附容量更是從6.5增大到12.7 mg/g。另外,吸附了鉛、鎳等金屬離子的石墨烯-殼聚糖凝膠在高溫煅燒后分別得到了石墨烯-殼聚糖-氧化鉛(Gr-Cs-PbO)和石墨烯-殼聚糖-氧化鎳(Gr-Cs-NiO)等復合物,也同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。2.通過水熱還原法制備得到石墨烯-聚吡咯-錳(RGO-PPy-Mn)復合材料。其中高錳酸鉀作為氧化劑在氧化吡咯為聚吡咯的同時,與水熱還原的石墨烯片反應生成二氧化錳納米顆粒。研究結果表明,當吡咯質(zhì)量不超過氧化石墨烯(GO)質(zhì)量時,生成的吡咯顆粒能均勻分散在石墨烯中且RGO-PPy-Mn復合物不存在團聚現(xiàn)象。電化學和CDI測試結果顯示,RGO-PPy-Mn復合物展現(xiàn)出極佳的比電容(365 F/g)以及較長的循環(huán)周期。此方法的關鍵在于高錳酸鉀的加入:(1)被高錳酸鉀氧化得到的聚吡咯提高了RGO-PPy-Mn復合物的導電性,使電子通過聚吡咯的連接能夠在石墨烯中快速移動;(2)與石墨烯片反應生成的二氧化錳粒子能顯著增大RGO-PPy-Mn復合物的比電容;(3)聚吡咯作為石墨烯與二氧化錳的電子傳輸橋梁,顯著改善了二氧化錳導電率不高的缺點。3.利用靜電相互作用使帶負電的GO和帶正電荷的三聚氰胺-甲醛(MF)小球自組裝形成緊密復合物,最后經(jīng)過高溫煅燒得到石墨烯復合物(RGO-MF)。通過SEM、BET、XRD、XPS等測試方法對RGO-MF復合物進行結構及化學表征,結果表明RGO-MF復合物具有三維孔洞結構且比表面積達到352 m2/g,氮摻雜含量更高達10.86%。當MF與GO質(zhì)量比為20:1的時候,得到的石墨烯復合電極(RGO-MF)具有最佳的電化學和CDI性能。4.利用氯化亞鐵還原GO得到磁性石墨烯-四氧化三鐵(Gr-Fe3O4)水凝膠,并用鹽酸原位刻蝕嵌在石墨烯片上Fe3O4粒子,得到介孔均勻分布的石墨烯材料(E-Gr-Fe3O4)。由于石墨烯片上的介孔有利于電子、離子之間的相互傳輸,增加了石墨烯的活性點,使E-Gr-Fe3O4復合材料在電化學測試中具備更好的循環(huán)穩(wěn)定性,以及優(yōu)異的比電容(128 F/g)和電吸附容量(10.3 mg/g)。在1.6 V的電壓范圍內(nèi)通過使用Freundlich和Langmuir吸附方程對吸附結果進行模擬,發(fā)現(xiàn)E-Gr-Fe3O4復合物吸附方式更符合Freundlich等溫吸附方程。5.為了阻止石墨烯片層團聚,采用密胺泡沫(PMF)作為支架吸附GO溶液,通過高溫煅燒得到氮摻雜的三維多孔石墨烯材料(NRGS)。并在NRGS電極上涂覆上戊二醛交聯(lián)的季胺化聚乙烯醇(C-qPVA)聚合物作為陰離子交換膜,用于膜CDI技術(MCDI)。研究表明,引入陰離子交換膜后,可有效抑制共離子效應的產(chǎn)生,且使A-NRGS電極的潤濕性大大提高,這些都使得A-NRGS電極具備了更大的電吸附容量。最后,研究了E-Gr-Fe3O4電極的電吸附-脫附過程,結果表明經(jīng)過5次循環(huán)之后E-Gr-Fe3O4仍具有較好的可再生性能。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB33;TQ127.11

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本文編號：2258679