有序介孔碳复合电极材料的制备与电容脱盐性能研究

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我国是一个缺水严重的国家,通过海水淡化制取淡水的技术是解决淡水资源缺乏的重要途径。电容脱盐技术通过在两个电极上施加电位来实现从水溶液中除去盐离子的目的,是一种新型的海水淡化技术,具有设备简单、能量利用率高、环境友好、运行成本低等优点。其中,电极材料是电容脱盐技术重要的组成部分。有序介孔碳是一种优良的电极材料,但是由于其石墨化程度较低、导电性较差、比容量较低,制约了它作为电极材料在电容脱盐领域的广泛应用。本文以有序介孔碳为主体材料,锰氧化物和石墨烯为客体材料,制备锰氧化物修饰有序介孔碳复合材料及石墨烯/锰氧化物共修饰有序介孔碳复合材料。通过改变原材料的配比、热处理条件、制备方式等,调控客体材料的含量、物相、尺寸及分布,并进行电化学性能及电容脱盐性能的研究,旨在获得性能优良的电极材料,提高脱盐性能。主要研究工作如下:1、采用浸渍法,以硝酸锰为前驱体,制备了锰氧化物修饰有序介孔碳复合材料。研究了在不同热处理温度下,锰氧化物含量对复合材料的结构、电化学性能以及电容脱盐性能的影响。结果表明:热处理温度为300℃时,复合材料中的锰以MnO的形式存在。当锰含量为7%35 wt%时,比表面积分布在600900m2/g之间。热处理温度为400℃时,复合材料中的锰以MnO2和Mn3O4的形式存在。当锰含量为7%35 wt%时,比表面积分布在600800 m2/g之间。复合材料均保持了介孔结构,其中热处理温度为400℃、锰负载为15 wt%时,复合材料性能最佳,其比电容为83.9 F/g,是有序介孔碳的1.77倍,吸附量为5.38 mg/g,是有序介孔碳的1.51倍。2、采用热还原法制备还原性氧化石墨烯,再分别以硝酸锰为前驱体(浸渍法)、以硝酸锰和高锰酸钾为前驱体(两步法)制备石墨烯/锰氧化物共修饰有序介孔碳复合材料,并研究了复合材料的电化学性能及电容脱盐性能。结果表明:浸渍法制备的复合材料,锰氧化物的主要物相为MnO2和Mn3O4。当锰含量为7%35 wt%时,比表面积分布在600800 m2/g之间。当石墨烯含量为5 wt%、锰含量为15 wt%时,电极性能最佳,其比电容为101.8 F/g,是有序介孔碳的2.15倍,吸附量为5.98 mg/g,是有序介孔碳的1.90倍。两步法制备的复合材料,锰氧化物的主要物相为MnO2。当锰含量为5%35 wt%时,比表面积分布在600900 m2/g之间。当石墨烯含量为5 wt%,锰含量为10 wt%时,电极性能最佳,其比电容为92.0 F/g,是有序介孔的1.96倍,吸附量为4.97 mg/g,是有序介孔碳的1.58倍。
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