石墨烯/氧化物半导体/碳纳米管多孔结构复合材料的制备及其高选择性脱盐性能的研究

As global fresh water resources are limited, researchers have paid high attention to the desalination technology of salt water resources including the sea water. But the technology of preserving trace elements such as Ca2+ ion in the process of desalination, which is beneficial to human's health, is still the priority and bottleneck of desalination technology. In this study, porous conductive material composites of carbon nanotube, oxide semiconductor and graphene will be prepared by using molecular self-assembly and nanosynthetic technology with carbon nanotubes as reinforcements. Ion sieve electrodes will be fabricated by carbonization method with the mixture of as-prepared composites and phenolic resins. This method can effectively prevent nanoparticles from accumulating and improve specific surface area of ion sieve electrodes. And then, taking Na+/Ca2+ ion mixture solution as the object of research, the study obtains balancing capacity of Na+/Ca2+ ion on electrical double layer adsorption and complex adsorption by adjusting the voltage and the porous structure of composites, which aims to achieve high Na+ selective adsorption of ion sieve electrodes. Finally, simplified equivalent circuit dynamic model and alternating current impedance method are used to study the relevancy of ion resistance, electronic resistance, complex reaction resistance and ion sieve structure as well as explore interface electrochemical response process of electrodes. The purpose of this study is to reveal the key factors of selective adsorption of ions and puts forward new ideas to promote development of desalination technology of ion selective adsorption.

全球淡水资源的匮乏，推动了包括海水在内的咸水资源脱盐技术的快速发展。但在脱盐的过程中，如何适当保留水中对人体有益的微量元素（如Ca2＋离子等），一直是脱盐技术的重点和难点。针对此关键问题，本研究拟运用分子自组装和纳米合成技术，设计和制备以碳纳米管为骨架支撑氧化物半导体和石墨烯的导电多孔复合材料，以酚醛树脂为粘结剂结合炭化工艺制备离子筛电极，有效避免纳米颗粒的堆积团聚，提高电极的比表面积。然后以Na＋/Ca2＋离子混合溶液为研究对象，通过外接电压和电极孔径结构调节，获得Na＋/Ca2＋离子在电极材料上的双电层吸附和络合吸附的平衡容量关系，实现Na＋离子高选择性吸附的目标。最后运用简化的等效电路动力学模型和交流阻抗方法，研究离子内阻、电子内阻和络合反应内阻与离子筛结构的相关性，探明电极的界面电化学响应过程，揭示离子选择性吸附的关键因素，为提高离子选择性脱盐技术的发展提供新思路。

淡水资源是人类生存和发展不可替代的重要资源。近年来，随着社会需水量的大幅增加，水资源供需矛盾日益突出，淡水资源短缺的加剧使得饮用水安全问题引起各国政府和人们的高度重视。由于淡水资源总量无法增加，于是人们把目光转向包括海水、苦咸水、含盐废水在内的盐溶液脱盐技术。但是对于无法降解的无机污染物的选择性深度处理，传统的生物法、物理法及化学法等在技术上及经济上都存在很大困难，在新的环保形势下研发高效、节能的无机废水选择性深度处理方法已经迫在眉睫。因此，适合我国国情和安徽省各地区流域特点的新型选择性脱盐技术和装备具有前所未有的重大意义。.电吸附脱盐技术采用了电化学双电层电容原理，在直流电的作用下使正、负离子向相反电性电极方向移动，并吸附在纳米碳管和石墨烯复合材料的薄膜电极表面，从而达到脱盐的目的。该技术具有许多优点，如：绿色生产过程，再生时不需要添加化学试剂，避免二次污染的产生；电吸附能量仅消耗于离子的迁移和吸附，电极本身不发生化学反应，故能耗低；电极使用寿命长；排出的高浓度盐溶液，可作盐的提纯；且能够通过外界条件调控，达到选择性去除离子的目的。本研究通过碳纳米管和石墨烯技术的合成及处理工艺，探索了基于石墨烯和碳纳米管的复合材料，并通过研究电化学性能研究，利用简化的等效电路动力学模型和交流阻抗方法，研究离子内阻、电子内阻和络合反应内阻与该复合材料结构的相关性，初步探明基于纳米碳管和石墨烯材料的界面电化学响应过程，从更深的层次揭示提高纳米碳管和石墨烯复合材料的离子选择性电吸附性能的关键因素。.本研究的重点不仅体现技术的先进性，更要强调技术的可开发性。本研究是一个值得大力去开拓的前沿研究领域，在促进材料、环境和能源等学科的综合交叉和有机融合方面具有重要的学术意义，且能够提升安徽省在环保装备产业方面的国际竞争力，在推进地方科技进步和国民经济发展方面具有重要的积极意义。