熵差脱盐电池及其内在工作机理的研究

The Mixing Entropy Battery (MEB) based on electrochemical double layer theory is thought to be a new desalination battery. The MEB has bright future in both research and application since it has advantages of cost effective, widen application, none secondary pollution and high efficient electrolyte consumption. Thus, it is worth to do some research in relevance to MEB’s performance and theory. Up to now, we have performed systematical investigation in association with MEB’s electrode material, device structure and experimental condition. In particular, we have fully learned the electrosorption performance, kinetics and thermodynamics of graphene electrode in various electrolyte. In this project, we will focus on preparation of graphene thin films with different microstructure by chemical vapor deposition and followed by applying them in MEB study. Through this study, the mechanism of gaphene based MEB in different electrolyte will be explored as well as its thermodynamics. Further, the functional graphene will be utilized to study the impact of polymer on the performance and mechanism of Membrane Mixing Entropy Battery.

以电化学双电层吸附模型为理论基础的熵差脱盐电池是一种新型的脱盐电池。该电池具有成本低、应用范围广、无二次污染和电解液利用率高等优点，具有非常良好的应用前景和研究潜力。因此，开展对熵差脱盐电池的工作特性和相关机理研究十分必要。我们已经在熵差脱盐电池的电极材料、器件结构设计和运行环境等方面做了大量有针对性的研究，特别是掌握了石墨烯材料在各类电解液中的电吸附特性、动力学和热力学过程。本研究拟通过化学气相沉积法制备微观结构各异的石墨烯薄膜，并将之运用于熵差脱盐电池。探索电极材料微结构对熵差脱盐电池工作效率的影响机理，以及石墨烯基熵差脱盐电池在多种离子体系下的工作机制和热动力学过程，并提出相关的理论解释。在此基础上，通过对石墨烯薄膜的功能化处理，研究聚合物掺杂对离子增强型熵差脱盐电池工作效率的影响机理。

以电化学双电层吸附模型为理论基础的熵差脱盐电池（mixing entropy battery, MEB）是一种新型的脱盐电池。该电池具有成本低、应用范围广、无二次污染和电解液利用率高等优点，具有非常良好的应用前景和研究潜力。本研究通过化学气相沉积法制备三维石墨烯（3-dimensional graphene, 3DG）薄膜，研究其电容吸附离子行为并运用于熵差脱盐电池。所取得的重要结果有：1、开展了化学气相法制备在泡沫镍基底上制备3DG薄膜，通过调控生长温度和气氛后发现，当生长温度为1100℃、Ar和H2流量分别为200和40sccm时，可以获得品质较好的3DG薄膜（2.5mg/cm2）；2、研究3DG电极的电吸附特性后发现在相同初始浓度下比电吸附容量随着电压的升高而增加，相同电压下比电吸附量随着浓度的增加而增加。3DG吸附方式符合朗谬尔等温吸附模型。热力学计算结果表明该吸附过程属于物理吸附。此外，3DG电极对多价态离子的吸附遵循电荷数大于（水合）半径的规律；3、将磺酸根引入石墨烯后发现石墨烯复合电极显示出离子交换特性，同时共离子效应得到了抑制，从而得到接近于1的电荷效率。此外，利用表面刻蚀方法在石墨烯表面构筑了微孔结构，获得了多孔分级的石墨烯薄膜，该多孔3DG具有很高的比吸附量（17.1 mg NaCl/g），较未刻蚀样品可提高1倍且具有快速吸脱附速率和很好的稳定性；4、以剥离后的3DG为电极组装MEB电池，在0.01-0.5 M盐差范围内可获得能量为6.5 mJ，远高于活性炭基MEB；5、提出了一种动态电吸附机制，可较好的解释多孔电极的电吸附行为；6、通过计算酸化后多孔碳电极的双电层电容和赝电容提出酸氧化导致活性炭的微观结构发生了改变，从而增强了双电层电容，这部分结果对功能化石墨烯的电极制备具有重要的指导意义。