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(shù)得到了開發(fā)和快速發(fā)展。電容去離子脫鹽(CDI)技術(shù)是在外加庫(kù)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(chǔ)存起來，從而實(shí)現(xiàn)脫鹽;它相對(duì)于其它的脫鹽技術(shù)具有預(yù)處理過程簡(jiǎn)單，能量利用率高，再生容易且無二次污染，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn);電極材料是影響CDI性能的最為關(guān)鍵的因素，因此制備成本低性能好的新型電極材料是促進(jìn)CDI技術(shù)工業(yè)化實(shí)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(dǎo)

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(fù)雜;理想的石墨烯具有超高的比表面積，高電導(dǎo)率及較好的化學(xué)穩(wěn)定性，但實(shí)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(diào)節(jié)摻雜比例，改變反應(yīng)條件及反應(yīng)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(xué)及電吸附能力的樣品，并進(jìn)行了FTRI、TG、SEM、BET、XPS和接觸角等表征

3、，電化學(xué)測(cè)試和電吸附測(cè)試。主要研究?jī)?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(yīng)物在低溫下反應(yīng)一段時(shí)間后，水浴交聯(lián)制得有機(jī)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(jié)果表明隨著摻雜比例的增大，逐漸有棒狀結(jié)構(gòu)的硼酸-三聚氰-間苯二酚-甲醛(BMRF)凝膠產(chǎn)生，它結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，并且能與GO形成穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)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(xué)性能，比電容可達(dá)242F g-1（電流密度0.1Ag-1時(shí)），在2Ag-1下經(jīng)過5000次循環(huán)電容保留率仍可達(dá)92.7％。GBMC-1.2的作為CDI電極材料時(shí)，在1.6V下對(duì)初始電導(dǎo)率1650μS cm-1的NaCl溶液的電吸附量可達(dá)18.45mgg-1，充電效率為45％;它對(duì)水合離子半徑小且所含價(jià)態(tài)高的離子吸附效果較好。
　　接

5、著改變合成路線和反應(yīng)條件，將硼酸(B)和間苯二酚(R)在高溫下反應(yīng)后，再與其它反應(yīng)物在室溫下混合，將制得的有機(jī)凝膠進(jìn)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(jié)構(gòu)，它含有的B-O-C鍵對(duì)應(yīng)的紅外峰較強(qiáng)，材料熱穩(wěn)定性變得更強(qiáng)。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(shí)，282F g-1），較小的界面電荷轉(zhuǎn)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(shí)，在1.6V下對(duì)初始電導(dǎo)率1650μS cm-1的NaCl溶液的電吸附量可高達(dá)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(duì)其進(jìn)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(rùn)濕性變差，內(nèi)阻變大，電解質(zhì)離子在其中的傳質(zhì)阻力也增大;但因?yàn)?SH和-NH2的引入，材料對(duì)反離子的選擇性吸附能力增強(qiáng)了，改性后的材料組裝成的電極不對(duì)稱的超級(jí)電容器(GBMC-NH2‖GBMC-SH)在電流密度為0.1Ag-1時(shí)比電容增大了為268Fg-1;電極不對(duì)稱的CDI裝置(GBMC-NH2‖GBMC-SH)因同離子效應(yīng)的減弱，對(duì)初始電導(dǎo)率為1650μS cm-1的NaCl溶液在1.6V下的電吸附量