聚苯胺納米管-活性炭復(fù)合電極及其電容脫鹽研究.pdf

1、電容去離子（Capacitive deionization，CDI）技術(shù)是一種在較低的電壓條件下（一般低于水的電解電壓1.23 V）可操作的新型電吸附除鹽技術(shù)，通過控制循環(huán)的充放電過程達到去除溶液中離子的目的。電容去離子技術(shù)因具有操作簡單，循環(huán)再生性好，運行過程不產(chǎn)生二次污染等而被認為是潛力巨大，應(yīng)用前景廣泛的脫鹽技術(shù)。電極材料的選取是電容去離子技術(shù)的核心，理想的電極材料必須具備比表面積高，孔結(jié)構(gòu)豐富，親水性好且循環(huán)穩(wěn)定性好等特點?；钚?/p>

2、炭由于其比表面積大，孔結(jié)構(gòu)豐富，并且來源廣泛、易于工業(yè)化擴大生產(chǎn)，應(yīng)用前景好，但是活性炭具有導(dǎo)電性差，電位窗口小，比電容值低等問題，進而影響了電容除鹽能力。聚苯胺（Polyaniline, PANI）是一種具有共軛電子結(jié)構(gòu)的高分子材料，具有制備簡單，循環(huán)穩(wěn)定性高和摻雜去摻雜反應(yīng)可逆等特點，PANI是應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電高分子材料。PANI導(dǎo)電高分子是比較重要的電池材料之一。在超級電容器及燃料電池等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。PANI納米管由于具有更高

3、的比表面積和提高更多的活性位點，其電子電導(dǎo)率比傳統(tǒng)的 PANI聚合物高出幾個數(shù)量級。但到目前為止，PANI納米管用于CDI電容除鹽領(lǐng)域的研究比較少。納米管狀材料具備三維的結(jié)構(gòu)，大的比表面積和更多的活性位點等特點。靜電紡絲是一種設(shè)備簡單，操作便捷，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)直徑在納米到微米纖維的技術(shù)。通過靜電紡絲技術(shù)得到的微/納米纖維具有高比表面積，纖維直徑可控，孔隙率高等優(yōu)異性能，是一項在傳感，光催化及電池儲能領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。以靜電

4、紡絲纖維為模板可以制得高產(chǎn)量的納米管材料。
　　本研究以聚苯乙烯（PS）為前驅(qū)液，利用靜電紡絲技術(shù)制備PS納米纖維，以PS納米纖維為模板，在磺化處理的PS纖維表面生長聚苯胺（PANI），使用有機溶劑溶解去除PS得到中空結(jié)構(gòu)的PANI納米管。使用商品活性炭為原材料，添加PANI納米管得到復(fù)合PANI-活性炭復(fù)合材料，應(yīng)用 PANI納米管在充放電過程中的氧化還原機理，實現(xiàn)反向脫鹽，增強電極的離子導(dǎo)電性和比電容，減少活性炭充電過程的極化

5、現(xiàn)象，從而改善電容脫鹽性能。研究了不同紡絲液濃度制備的對 PANI納米管結(jié)構(gòu)、對 PANI-AC復(fù)合電極的電化學(xué)性能及其電容器除鹽效果的影響。通過改變紡絲前驅(qū)液中PS的質(zhì)量分數(shù)，制備得到不同直徑的PS納米纖維，將所得PS納米纖維在濃硫酸進行磺化處理，添加苯胺在氧化劑過硫酸銨（APS）的作用下原位聚合形成PANI-PS復(fù)合纖維，使用有機溶劑溶解去除PANI/PS復(fù)合納米纖維中的PS，制備得到中空結(jié)構(gòu)的PANI納米管。掃描電鏡（SEM）發(fā)現(xiàn)

6、當紡絲前驅(qū)液PS的濃度增加（質(zhì)量分數(shù)分別為10 wt%、15 wt%、20 wt%和30 wt%），PS纖維的直徑增加，從而獲得的PANI納米管管徑也逐漸增加，分別為130nm、346nm、426nm、1370nm。當紡絲前驅(qū)液中PS含量較低時，PANI納米管上 PANI顆粒較大，管壁較厚，當紡絲前驅(qū)液中PS質(zhì)量分數(shù)過高，PS納米纖維直徑過高，導(dǎo)致PANI納米管管徑過大，其比表面積降低。用合成的PANI納米管與活性炭共混制備復(fù)合電極并用

7、于電化學(xué)和電容去離子研究。SEM表征PANI-AC復(fù)合電極，發(fā)現(xiàn)PANI納米管與活性炭能夠均勻的分布于活性炭顆粒之間，并形成鑲嵌結(jié)構(gòu)。接觸角表征結(jié)果證明了PANI納米管表面的親水官能團有效的改善了電極的親水性。循環(huán)伏安測試表明PANI納米管的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的贗電容能夠有效的增加PANI-AC復(fù)合電極的比電容。其中PANI（426nm）-AC復(fù)合電極比容量達286 F/g，遠高于AC電極的比電容（198 F/g），阻抗結(jié)果分析表明 PA

8、NI-AC復(fù)合電極表面的離子擴散明顯改善，這證明了 PANI納米管的中空結(jié)構(gòu)為 PANI-AC電極提供了水和離子通過的通道，能夠有效地提高 PANI-AC復(fù)合電極的導(dǎo)電性和離子傳輸速度。在電容脫鹽測試中，采用PANI-AC復(fù)合電極充當正極，AC電極為負極組裝不對稱電容器進行電容除鹽測試，由于 PANI與AC形成的電荷共聚物在充電過程中被氧化，釋放離子，電導(dǎo)率上升，呈現(xiàn)反向脫鹽現(xiàn)象。在放電過程中實現(xiàn)了電容器的脫鹽反向脫鹽能夠有效的降低充電