基于石墨烯纳米卷的电容去离子研究

Capacitive deionization is a high-efficient,low-cost, environment-friendly as well as green technology for removing salts from aqueous solutions. The critical issue for capacitive deionization is choosing suitable electrode materials with large specific surface area, high electronic conductivity, and excellent chemical and electrochemical stability. The present project aims to synthesize graphene nanoscrolls, a kind of quasi one-dimensional carbonaceous nanomaterial, by confined microexplosion method, and use the graphene nanoscrolls as electrode material to fabricate capacitive deionization. It is expected that the as-prepared graphene nanoscrolls possess the ability of large real specific surface area, high electronic conductivity and well dispersity through studying on the correlation between the morphology and structure of graphene scrolls and their electrochemical capacitive property. The project will design and fabricate a capacitive deionization cell with graphene scrolls, and optimize the parameters, in order to remove salts and charged microparticles from aqueous solutions with high efficient. The research on developing materials for next-generation capacitive deionization aims to accelerate its application on wastewater reclamation, seawater desalination, radioactive water treatment and production of high-purity water, which undoubtedly possesses significant scientific value and practical application prospect.

电化学电容去离子是一种低成本、高效率、绿色环保的新型水处理技术。而比表面积大，导电性能好和性能稳定的电极材料是电容去离子技术的关键所在。本项目拟采用限域微爆反应法合成一种准一维碳纳米材料―石墨烯纳米卷，并作为电极活性材料构建电化学电容去离子装置。通过对石墨烯纳米卷微观结构形貌与电化学电容特性相关性研究，合成出真实比表面积大，导电性能优异，分散性好的优质石墨烯纳米卷材料。经对石墨烯纳米卷电极结构成份的优化组合，环境参量的深入分析以及对电容装置和运行条件的合理设计，以实现高效去除各类水中离子或带电微粒的目的。本项目是关于电容去离子新型电极材料研究的应用基础课题，目的在于加快电容去离子技术在废水净化、海水脱盐、高纯水制备、放射性污水处理等领域的应用步伐，有着较重要的科学研究价值和实际应用前景。

随着经济发展和社会进步，环境保护已成为21世纪安全的研究课题。电化学电容去离子是一种低成本、高效率、绿色环保的新型水处理技术。而比表面积大、导电性能好和性能稳定的电极材料是电化学电容去离子技术的关键所在。本项目旨在设计并合成具有高比表面积、性能稳定的三维立体碳纳米（复合）材料，以构建电化学去离子的电极系统。项目的主要研究内容包括：采用限域微爆反应法、高温气泡模板合成法和水凝胶技术等合成具有三维立体结构的石墨烯材料；采用高温热处理合成技术制备掺氮碳纳米管/介孔碳纳米复合材料；采用水热法等制备碳/碳复合材料，并就上述材料的组成结构和电化学电容特性进行了系统深入的研究。取得了以下重要的研究结果：.1.采用限域微爆反应法成功制备出一维石墨烯纳米卷和准一维石墨烯卷－片一体碳纳米材料，这类新型的碳纳米材料具有优异的电化学性能。.2.利用生物质玉米棒和三聚氰胺为前驱体，通过一步热处理可控制备出碳纳米管@介孔碳复合材料。材料的比表面积达1055 m2/g，比电容达538 F/g，经10000次循环后仍能保持初始值的90%，是一种可简易宏量合成的碳纳米材料。.3.采用自组装技术，在水热条件下制备了分层纳米结构的石墨烯，亚微米碳球复合材料，这种是具有维纳结构的碳复合材料比表面积达240.4m2/g,电化学电容达308F/g。.4.采用气泡模板法在高温热处理条件下合成了三维多孔氮掺杂石墨烯，其比表面积达到490.2 m2/g，在1 A/g充放电条件下，比电容达到337 F/g。.5. 在石墨烯表面原位合成单链状聚邻苯二胺用于高性能电化学电容器材料，其二电极体系电化学电容值381 F/g（1 A/g），5000次的循环后仍保持初始值的90%。.上述创新性的研究成果已在材料化学（A），能源、电化学学报等国际期刊发表研究论文15篇，项目的研究成果为电化学电容去离子技术电极材料的研究和发展提供了重要的方法与途径，同时也可用于电化学能源转化与储存等领域。