高性能电容脱盐电极材料:三维贯穿网络结构石墨烯-氧化物杂化体系

人口不断增长等因素使得人类对清洁淡水资源的需求与日俱增,而对于那些干旱以及盐碱地区来说,这种需求就更为迫切。电容脱盐(Capacitive Deionization)是一种去除水中电解质的新型技术,其基本原理是通过施加静电场强制离子向带有相反电荷的电极处移动,于静电场中的电极则会在其与电解质溶液界面处产生很强的双电层;双电层能吸附并储存大量的电解质离子,从而达到去除电解质的目的。电容脱盐具有能量利用率高,污染小,易小型化和操作等优点,有望应用在很多方面,包括家庭和工业用水软化、废水净化、海水脱盐、和农业灌溉和畜牧业用水的除盐等。当前电容脱盐技术的主要限制条件之一是缺乏合适的高性能电极材料。电容脱盐电极材料需要具有大的比表面积和电容,利于离子传质的内部孔结构,高的导电性,化学、电化学和生物稳定性等性质,而传统的碳材料难以满足上述条件。于是寻找高性能的电容脱盐电极材料是这一领域的核心问题。 

针对这一问题,国家纳米科学中心唐智勇研究员课题组设计合成了新型三维贯穿网络结构石墨烯-氧化物杂化体系。在该杂化体系中,(1)石墨烯可以提供高的导电性和比表面积,有利于电荷传输和离子吸附;(2)石墨烯与氧化物纳米粒子的复合大大提高了电极的电容;(3)三维网络结构的石墨烯结构则利于电解质在电极内部的传质过程。测试结果表明,这种三维贯穿网络结构石墨烯-氧化物杂化体系具有高的脱盐吸附量(15 mg NaCl/g),快的吸脱附速率和高的稳定性。上述研究为需找新型高性能电容脱盐电极材料提供了新思路。相关工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金和杰出青年基金资助。