石墨烯基三维有序异质超结构的可控组装及电容式去离子性能研究

Capacitive deionization (CDI), as a promising alternative technology in modern desalination and removal of heavy metal ions in wastewater, has been introduced and attracting increasing interests in recent years. Comparing with the established deionization techniques, CDI offers several advantages including low energy consumption, easy regeneration of electrodes, low maintenance requirements and low secondary pollution. However, some drawbacks in micro-structural control and conductivity of current CDI electrode materials seriously hinder the efficiency of CDI and its popularization. This project aims to design and develop a series of novel graphene-based hetero-superstructures with ordered three-dimensional porous networks as high-performance electrode materials for CDI purpose. The genuine idea is to overcome some interior structural bottlenecks in existing CDI electrodes by integrating various functional supporting nanomaterials into a complementary system with graphene via interfacial assembling approaches. The relationship between control over progressive assembling, micro-architecture control and inter-phase electronic interaction of graphene-based hybrids as well as their effect on electrosorptive capacity as CDI electrode will be comprehensively studied. The outcomes of this project will lead to considerable breakthrough in both CDI and other relevant fields including light-emitting diode, thin film solar cell, secondary batteries and supercapacitor and so on.

电容式去离子（Capacitive deionization, CDI）是一种比较新颖的去离子技术，在咸水淡化和含有毒重金属离子污水处理等领域有广泛应用。目前常用的CDI电极材料在内部孔道结构设计和调控方面的研究还十分有限，阻碍了其性能提高和推广应用。本项目提出以石墨烯分散单体作为基本单元，选择性地引入异质支撑相纳米材料，通过界面组装等手段，"自下而上"建立和发展一类以石墨烯基三维有序异质超结构为主体的CDI电极材料。主要研究内容包括石墨烯基三维有序异质超结构的微结构设计、可控组装、两相间电子传输和相互作用以及结构调控对电极材料性能的影响等一系列科学问题，希望以此实现石墨烯材料在电容式去离子方面的效能最优化。本项目拟取得的研究成果同时也为石墨烯材料在有机发光二极管、薄膜太阳能电池、二次电池电极、超级电容器等相关领域提供新的思路和方向。

电容式去离子（capacitive deionization，CDI）是近年来兴起的一种新型水净化技术，其性能主要取决于其电极材料的选择和结构设计。目前为止，CDI 电极的选择主要集中于各种具有多孔结构的碳材料，如活性炭、碳气溶胶、介孔碳、碳纳米管等。但是，这些材料都各自存在种种不足之处。近年来，随着石墨烯材料的兴起，这种由碳原子sp2 杂化形成的单一原子层材料，由于其极高的比表面积和优异的电导率，以及质轻、化学稳定性高和优良的柔韧性和机械强度等优点，使得它成为下一代CDI 电极的理想替代材料。但是，石墨烯由于层间相互吸引，倾向于二次堆垛（restacking）形成团聚。从多孔材料的角度来看，石墨烯材料的孔道主要是由层与层之间的间距构成，而二次堆垛的大量形成，必定会降低其整体有效比表面积和孔道网络，阻碍其电吸脱附性能的提高；同时，由于石墨烯的疏水性，导致水溶液和电极表面接触不充分，离子在界面交换过程中阻力较大；如何克服以上问题，实现石墨烯基电极的孔道结构调控成为目前相关研究方向的最新课题。. 本项目首次将石墨烯类新型二维碳纳米材料引入三维CDI电极材料的组装之中。创新性的采用分步还原工艺配合磺酸基团表面功能化，成功合成水溶性石墨烯单体。在此基础上，进一步利用层层组装和原位自组织两种思路。其中，第一种方法以两相界面为模板，在气/液界面（Langmuir-Blodgett）和液/液界面分别成功实现了石墨烯单层和多层薄膜的可控组装。通过对单体加入量、表面张力以及膜沉积参数的控制，实现了石墨烯单层和多层薄膜的精细制备和面内及层间结构调控；进一步讨论了面内单体堆积密度和缺陷控制对产物孔道结构以及相关电导、比电容量等性能的影响。通过结构优化，产物薄膜电极的比电容量最高达到287 F/g，较对应粉体材料提高98%，并表现出良好的循环稳定性。相关成果已申请国家发明专利5项，授权3项，在国际专业杂志发表研究论文3篇。