硼氮共摻雜石墨烯氣凝膠的制備及性能.pdf

1、近年來，因淡水資源愈加短缺，各種各樣的脫鹽技術得到了開發(fā)和快速發(fā)展。電容去離子脫鹽(CDI)技術是在外加庫侖力的作用下直接吸附鹽溶液中的陰陽離子并以雙電層(EDLs)的形式儲存起來，從而實現(xiàn)脫鹽;它相對于其它的脫鹽技術具有預處理過程簡單，能量利用率高，再生容易且無二次污染，使用壽命長等優(yōu)點;電極材料是影響CDI性能的最為關鍵的因素，因此制備成本低性能好的新型電極材料是促進CDI技術工業(yè)化實施的重要環(huán)節(jié)。炭氣凝膠具有大比表面積且有良好的導

2、電性，是較為理想的CDI電極材料，但其合成成本偏高，制備工藝復雜;理想的石墨烯具有超高的比表面積，高電導率及較好的化學穩(wěn)定性，但實際中因石墨烯片層易堆疊降低了它自身的性能。本課題利用溶膠凝膠法，常壓干燥制備了硼氮共摻雜的石墨烯氣凝膠;通過調節(jié)摻雜比例，改變反應條件及反應過程，CO2活化改性，表面改性等來獲得具有大比表面積，高硼氮摻雜量，高殘?zhí)苛?，?yōu)良的電化學及電吸附能力的樣品，并進行了FTRI、TG、SEM、BET、XPS和接觸角等表征

3、，電化學測試和電吸附測試。主要研究內(nèi)容如下:
　　本課題首先將硼酸(B)和三聚氰胺(M)混合，再與其它反應物在低溫下反應一段時間后，水浴交聯(lián)制得有機凝膠，經(jīng)常壓干燥，炭化后制得硼氮共摻雜石墨烯氣凝膠(GBMC-x)。分析結果表明隨著摻雜比例的增大，逐漸有棒狀結構的硼酸-三聚氰-間苯二酚-甲醛(BMRF)凝膠產(chǎn)生，它結構較為穩(wěn)定，并且能與GO形成穩(wěn)定的交聯(lián)結構抑制其坍塌和堆疊;GBMC-1.2的比表面積最大(475m2g-1)，B和

4、N的元素含量分別為2.59at％和3.89at％，親水性也較好。GBMC-1.2表現(xiàn)出了最優(yōu)的電化學性能，比電容可達242F g-1（電流密度0.1Ag-1時），在2Ag-1下經(jīng)過5000次循環(huán)電容保留率仍可達92.7％。GBMC-1.2的作為CDI電極材料時，在1.6V下對初始電導率1650μS cm-1的NaCl溶液的電吸附量可達18.45mgg-1，充電效率為45％;它對水合離子半徑小且所含價態(tài)高的離子吸附效果較好。
　　接

5、著改變合成路線和反應條件，將硼酸(B)和間苯二酚(R)在高溫下反應后，再與其它反應物在室溫下混合，將制得的有機凝膠進行常壓干燥，炭化，CO2活化后得到硼氮共摻雜石墨烯氣凝膠(A-GBNC-x)。此種方法制得的BNRF凝膠呈現(xiàn)出球形結構，它含有的B-O-C鍵對應的紅外峰較強，材料熱穩(wěn)定性變得更強。A-GBNC-1.2表現(xiàn)出了最優(yōu)的性能，較大的比表面積(812m2g-1)，高硼氮元素含量(B7.53at％，N6.29％)，較好的親水性，較高

6、的比電容（0.1Ag-1時，282F g-1），較小的界面電荷轉移阻力及離子傳輸阻力，在2Ag-1下經(jīng)過2000次循環(huán)后比電容仍能保持原來的92.6％，它作為CDI電極材料時，在1.6V下對初始電導率1650μS cm-1的NaCl溶液的電吸附量可高達25mg g-1，充電效率52％。
　　最后，GBMC-1.2經(jīng)硝酸氧化后，用硅烷偶聯(lián)劑（MPTES和APTES）對其進行表面改性，制得了GBMC-SH和GBMC-NH2。表面改性后

7、的材料雖然因硅烷偶聯(lián)劑的引入表面潤濕性變差，內(nèi)阻變大，電解質離子在其中的傳質阻力也增大;但因為-SH和-NH2的引入，材料對反離子的選擇性吸附能力增強了，改性后的材料組裝成的電極不對稱的超級電容器(GBMC-NH2‖GBMC-SH)在電流密度為0.1Ag-1時比電容增大了為268Fg-1;電極不對稱的CDI裝置(GBMC-NH2‖GBMC-SH)因同離子效應的減弱，對初始電導率為1650μS cm-1的NaCl溶液在1.6V下的電吸附量