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《东华大学》 2017年
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铁氧体/石墨烯基纳米复合薄膜电极的制备及其在电容式去离子方面的应用

赵东玲  
【摘要】:电容去离子技术(CDI)是一种基于双电层理论的新型绿色环保海水淡化技术,其使用范围广泛、节能环保、循环可再生、无二次污染,在海水除盐领域将有一个良好的应用前景。CDI技术是一种较低直流电压控制下,利用电极材料的电容原理对盐溶液中的正负离子进行吸附形成双电子层,最终达到除盐的目的。制备具有循环再生能力且比电容较高的电极材料是CDI技术中研究的重点。目前,研究者对CDI电极材料的研究主要以碳纳米材料为主,为了提高碳材料电极的性能和CDI的脱盐率,向碳材料中掺入铁氧体,或者将碳材料进行相互复合,从而发挥各组分的优势,其中,铁基复合氧化物(铁氧体)是一类新型无机功能材料,将会大大提高电极材料的比电容,被广泛的应用于超级电容器领域。因此,制备具有高比表面积、合理孔径分布、高电导率、高机械强度、高比电容的电极材料将在电容去离子技术中发挥重要作用。本论文主要通过共沉淀法制备铁氧体及水热法制备rGO/铁氧体的纳米复合材料,将其分别引入至碳材料中,通过辊压法制备具有较高电容性能和可再生性能的大面积多孔电极薄膜,并将其运用到电容去离子技术中,具有大规模生产的潜在可能。本论文的研究内容及成果如下:(1)采用共沉淀法将草酸与其他金属离子结合形成络合物前驱体,将其煅烧,制备出颗粒尺寸均匀的铁氧体纳米材料;采用水热法将铁氧体颗粒均匀的生长于石墨烯表面,制备出具有优异性能的rgo/铁氧体纳米复合材料。两种方式均无需调节溶液的ph值,且操作步骤简便。研究结果表明,两种方法均可以制备出颗粒尺寸均匀的纯净纳米材料。但铁氧体纳米颗粒由于磁性容易发生团聚现象,形成大颗粒。而rgo/铁氧体纳米复合材料在制备过程中阻止了铁氧体因磁性和石墨烯因范德华力产生的自团聚,使铁氧体纳米颗粒均匀平铺于石墨烯的褶皱中。这两方法为电极材料薄膜的制备奠定了基础。(2)采用辊压法分别将Fe_2znO_4、Fe_2coO_4及rgo/Fe_2coO_4纳米材料与碳材料(以活性炭为主要原料,加入一维碳纳米管、二维石墨烯、颗粒尺寸较小的炭黑)复合,以聚四氟乙烯为粘结剂,通过简单的辊压制备出了三维网络结构铁氧体/碳材料纳米复合薄膜。Fe_2znO_4、Fe_2coO_4及rgo/Fe_2coO_4纳米材料的加入,使碳材料薄膜具有更高的比电容、比表面和合理孔径分布,保证了电极材料良好的机械性能、电化学性能、循环稳定性能和电容去离子性能。在相同碳材料组分电极薄膜的cdi测试中,当外加电压为2.0v,蠕动泵转速为30r/min,盐溶液初始浓度为100mol/l条件下,Fe_2znO_4与碳材料电极薄膜的最大除盐率为47.5%,最大盐吸附量为5.57mg/g,Fe_2coO_4与碳材料电极薄膜的最大除盐率为55.5%,最大盐吸附量为6.74mg/g,rgo/Fe_2coO_4纳米材料与碳材料电极薄膜最大脱盐率为65.4%,最大吸附量为10.25 mg/g。通过对比分析,可以得出,水热法制备的纳米材料与碳材料复合制备出的电极薄膜具有更优异的性能。总之,采用辊压法可制备大面积完整薄膜,是一种良好的电极材料,具有较大比电容和比表面积,保证了电极材料CDI性能和可再生能力。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P747;TB332

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