一种电容吸附脱盐用碳气凝胶电极片及其制备方法与流程

本发明属于电容吸附脱盐技术领域，具体涉及一种电容吸附脱盐用碳气凝胶电极片及其制备方法。

背景技术：

容去离子(capacitivedeionization,cdi)，是一种基于双电层电容理论的水质淡化净化技术。其基本原理是在电极上施加低电压后，溶液中阳离子、阴离子或带电粒子在电场力和浓度梯度作用下分别向两极迁移，吸附于电极表面形成双电层，从而达到脱盐或净化的目的，具有能耗低,污染小,易操作等优点。

碳气凝胶是一种新兴的结构可控的纳米多孔非晶碳素材料，由于其具有丰富的空洞、连续的网络结构、高比表面积和良好的导电性能，是一种理想的电极材料。可用于制造双电层电容器，还可用于去除水中的阴阳离子、重金属离子、辐射性同位素及一些有机废弃物等水处理领域，具有良好的应用前景。

现有技术中针对于电容吸附电极片的开发研究较多，将碳气凝胶与其他物质联系应用于电容吸附电极片中已有报道：cn105540765a公开了一种电容吸附脱盐用分子筛/多孔碳复合电极材料及其制备方法，所述分子筛结构材料与多孔碳材料的质量分数比10～40％：60～90％。制备方法包括：将多孔碳材料和分子筛结构材料分散在去离子水中，得到分散液，加入粘合剂，得到混合液，搅拌，烘干，得到复合材料，润湿，辊压压覆在惰性导体上。cn108285195a公开了一种碳气凝胶负载二氧化锰的电极材料的制备及应用，通过溶胶-凝胶法合成碳气凝胶，然后通过水热法负载二氧化锰形成复合材料，再以泡沫镍为导电基体进行压片；在电化学工作站测试循环伏安曲线和恒流充放电曲线，优化电极材料；然后将优化的电极材料用于脱盐反应装置，考察电压、流速、进水浓度对脱盐效果的影响。可以降低脱盐成本、降低污染并提高电极吸附量。公开的技术虽然具备一定的脱盐效果，但是存在制作过程复杂，成本高，效率低，电极片使用寿命低的缺陷。

有鉴于此，需要发明一种成本低，脱盐效果好，使用寿命长的电极片。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种电容吸附脱盐用碳气凝胶电极片，并同时提供其制备方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明一方面提供了一种电容吸附脱盐用碳气凝胶电极片，其通过以下步骤制备：

步骤一：碳气凝胶的制备

（1）有机湿凝胶制备：多羟基苯酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35～40%的反应液，加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温40～50℃充分反应1～2天，制得湿凝胶；

所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:5～20；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:400～600；

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换3～5次；

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶；

（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15～40ml/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.2～1.8℃/min的速率升温至280～320℃，然后以2～2.2℃/min速率升温到880～920℃后保持3～5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶；

步骤二：电极片的制备

（1）将步骤一制得的碳气凝胶分别粉碎成过100目粉末和200目粉末，所述100目粉末与200目粉末的重量份数比为1:1~3，然后与聚四氟乙烯混合，碳气凝胶和聚四氟乙烯的质量比为95:5，向得到的混合物中加入去离子水，使得碳气凝胶质量分数为5～10%，搅拌4h后，在105℃干燥12h，得到粘状固体；

（2）将得到的粘状固体均匀涂抹在泡沫镍上，用双层泡沫镍包覆该材料，压扎成片状材料，然后将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，制得碳气凝胶除盐电极片。

本发明另一方面提供了一种上述电容吸附脱盐用碳气凝胶电极片的制备方法，具体如下：

步骤一：碳气凝胶的制备

（1）有机湿凝胶制备：多羟基苯酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35～40%的反应液，加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温40～50℃充分反应1～2天，制得湿凝胶；

所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:5～20；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:400～600；

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换3～5次；

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶；

（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15～40ml/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.2～1.8℃/min的速率升温至280～320℃，然后以2～2.2℃/min速率升温到880～920℃后保持3～5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶；

步骤二：电极片的制备

（1）将步骤一制得的碳气凝胶分别粉碎成过100目粉末和200目粉末，所述100目粉末与200目粉末的重量份数比为1:1~3，然后与聚四氟乙烯混合，碳气凝胶和聚四氟乙烯的质量比为95:5，向得到的混合物中加入去离子水，使得碳气凝胶质量分数为5～10%，搅拌4h后，在105℃干燥12h，得到粘状固体；

（2）将得到的粘状固体均匀涂抹在泡沫镍上，用双层泡沫镍包覆该材料，压扎成片状材料，然后将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，制得碳气凝胶除盐电极片。

优选的，所述步骤一（1）中的多羟基苯为摩尔比为7:1的间苯二酚与间苯三酚的混合物

优选的，所述步骤二（1）中的聚四氟乙烯为质量分数为5~60%的乳液。

优选的，所述步骤二（1）中100目粉末与200目粉末的重量份数比为1:2。

优选的，所述步骤二（2）中片状材料的单片厚度为5mm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明中所提供的碳气凝胶以抗坏血酸（vc）-碳酸钠作为酸-碱催化剂，采用溶胶-凝胶法制备有机湿凝胶，反应周期短，比表面积大，导电性能优良。

本发明中所提供的电极片，利用本发明得到的碳气凝胶，通过调整碳气凝胶粉末的粒径配比，使活性材料涂覆密度适中，有效提高了除盐效率。将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，有效起到支撑作用，防止泡沫镍浸泡时间较长而导致活性材料散落。

本发明所提供的电极片除盐率达到90%，能够有效去除水中盐分。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1通过实施例和对比例制备的电极片的恒流充放电曲线示意图；

附图中：1为实施例1制备电极片；

2为实施例3制备电极片；

3为实施例5制备电极片；

4为对比例1制备电极片；

5为实施例2制备电极片；

6为实施例6制备电极片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。

实施例1

步骤一：碳气凝胶制备

（1）有机湿凝胶制备：加入一定量的间苯二酚与间苯三酚，间苯二酚与间苯三酚的摩尔比为7:1，然后将混合酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35%的反应液，加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温45℃充分反应1.5天，制得湿凝胶。

所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:12；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:500。

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换4次，将湿凝胶中的水和其它杂质完全置换掉。

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶。

（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以30ml/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.8℃/min的速率升温至300℃，然后以2.1℃/min速率升温到900℃后保持4个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。

步骤二：除盐电极片的制备

将步骤一制得的碳气凝胶样品在球磨罐中粉碎成粉末状，分别过100目和200目筛子，其中过100目筛子粉末与过200目筛子粉末的质量比为1:1.6，碳气凝胶粉末与聚四氟乙烯按质量比95:5混合，聚四氟乙烯乳液的质量分数60%。混合得到的混合物中加入一定量的去离子水，使得碳气凝胶质量分数为8%。然后在机械搅拌下搅拌4h后放入鼓风干燥箱中105℃干燥12h，得到的粘状固体均匀涂抹在泡沫镍上，用双层泡沫镍包覆该材料，压扎成片状材料，厚度为5mm，然后将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，制得碳气凝胶除盐电极片。聚四氟乙烯板能够有效起到支撑的作用，防止泡沫镍浸泡时间较长而导致活性材料散落。经试验测定该电极片除盐率达到90%，能够有效去除水中盐分。

实施例2

步骤一：碳气凝胶制备

（1）有机湿凝胶制备：加入一定量的间苯二酚与间苯三酚，间苯二酚与间苯三酚的摩尔比为7:1，然后将混合酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35%的反应液，加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温45℃充分反应2天，制得湿凝胶。

所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:20；所述0碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:450。

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换5次，将湿凝胶中的水和其它杂质完全置换掉。

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶。

（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以40ml/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.2℃/min的速率升温至320℃，然后以2℃/min速率升温到920℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。

步骤二：除盐电极片的制备

将步骤一制得的碳气凝胶样品在球磨罐中粉碎成粉末状，分别过100目和200目筛子，其中过100目筛子粉末与过200目筛子粉末的质量比为1:1.4，碳气凝胶粉末与聚四氟乙烯按质量比95：5混合，聚四氟乙烯乳液的质量分数5%。混合得到的混合物中加入一定量的去离子水，使得碳气凝胶质量分数为10%。然后在机械搅拌下搅拌4h后放入鼓风干燥箱中105℃干燥12h，得到的粘状固体均匀涂抹在泡沫镍上，用双层泡沫镍包覆该材料，压扎成片状材料，厚度为5mm，然后将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，制得碳气凝胶除盐电极片。聚四氟乙烯板能够有效起到支撑的作用，防止泡沫镍浸泡时间较长而导致活性材料散落。经试验测定该电极片除盐率达到90%，能够有效去除水中盐分。

实施例3

步骤一：碳气凝胶制备

（1）有机湿凝胶制备：加入一定量的间苯二酚与间苯三酚，间苯二酚与间苯三酚的摩尔比为7:1，然后将混合酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为40%的反应液，加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应1天，制得湿凝胶。

所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:5；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:600。

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换5次，将湿凝胶中的水和其它杂质完全置换掉。

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶。

（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20ml/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.2℃/min的速率升温至280℃，然后以2℃/min速率升温到880℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。

步骤二：除盐电极片的制备

将步骤一制得的碳气凝胶样品在球磨罐中粉碎成粉末状，分别过100目和200目筛子，其中过100目筛子粉末与过200目筛子粉末的质量比为1:1.8，碳气凝胶粉末与聚四氟乙烯按质量比95：5混合，聚四氟乙烯乳液的质量分数5%。混合得到的混合物中加入一定量的去离子水，使得碳气凝胶质量分数为10%。然后在机械搅拌下搅拌4h后放入鼓风干燥箱中105℃干燥12h，得到的粘状固体均匀涂抹在泡沫镍上，用双层泡沫镍包覆该材料，压扎成片状材料，厚度为5mm，然后将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，制得碳气凝胶除盐电极片。聚四氟乙烯板能够有效起到支撑的作用，防止泡沫镍浸泡时间较长而导致活性材料散落。经试验测定该电极片除盐率达到90%，能够有效去除水中盐分。

实施例4

步骤一：碳气凝胶制备

（1）有机湿凝胶制备：加入一定量的间苯二酚与间苯三酚，间苯二酚与间苯三酚的摩尔比为7:1，然后将混合酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35%的反应液，加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温45℃充分反应1.5天，制得湿凝胶。

所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:12；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:500。

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换4次，将湿凝胶中的水和其它杂质完全置换掉。

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶。

（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以30ml/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.8℃/min的速率升温至300℃，然后以2.1℃/min速率升温到900℃后保持4个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。

步骤二：除盐电极片的制备

将步骤一制得的碳气凝胶样品在球磨罐中粉碎成粉末状，分别过100目和200目筛子，其中过100目筛子粉末与过200目筛子粉末的质量比为1:1，碳气凝胶粉末与聚四氟乙烯按质量比95:5混合，聚四氟乙烯乳液的质量分数60%。混合得到的混合物中加入一定量的去离子水，使得碳气凝胶质量分数为8%。然后在机械搅拌下搅拌4h后放入鼓风干燥箱中105℃干燥12h，得到的粘状固体均匀涂抹在泡沫镍上，用双层泡沫镍包覆该材料，压扎成片状材料，厚度为5mm，然后将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，制得碳气凝胶除盐电极片。聚四氟乙烯板能够有效起到支撑的作用，防止泡沫镍浸泡时间较长而导致活性材料散落。经试验测定该电极片除盐率达到90%，能够有效去除水中盐分。

实施例5

步骤一：碳气凝胶制备

（1）有机湿凝胶制备：加入一定量的间苯二酚与间苯三酚，间苯二酚与间苯三酚的摩尔比为7:1，然后将混合酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35%的反应液，加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温45℃充分反应1.5天，制得湿凝胶。

所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:12；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:500。

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换4次，将湿凝胶中的水和其它杂质完全置换掉。

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶。

（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以30ml/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.8℃/min的速率升温至300℃，然后以2.1℃/min速率升温到900℃后保持4个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。

步骤二：除盐电极片的制备

将步骤一制得的碳气凝胶样品在球磨罐中粉碎成粉末状，分别过100目和200目筛子，其中过100目筛子粉末与过200目筛子粉末的质量比为1:2，碳气凝胶粉末与聚四氟乙烯按质量比95:5混合，聚四氟乙烯乳液的质量分数60%。混合得到的混合物中加入一定量的去离子水，使得碳气凝胶质量分数为8%。然后在机械搅拌下搅拌4h后放入鼓风干燥箱中105℃干燥12h，得到的粘状固体均匀涂抹在泡沫镍上，用双层泡沫镍包覆该材料，压扎成片状材料，厚度为5mm，然后将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，制得碳气凝胶除盐电极片。聚四氟乙烯板能够有效起到支撑的作用，防止泡沫镍浸泡时间较长而导致活性材料散落。经试验测定该电极片除盐率达到90%，能够有效去除水中盐分。

实施例6

步骤一：碳气凝胶制备

（1）有机湿凝胶制备：加入一定量的间苯二酚与间苯三酚，间苯二酚与间苯三酚的摩尔比为7:1，然后将混合酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35%的反应液，加入抗坏血酸和碳酸钠，将反应液混合均匀后密封，保温45℃充分反应1.5天，制得湿凝胶。

所述抗坏血酸与多羟基苯酚的摩尔比为1:12；所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:500。

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换4次，将湿凝胶中的水和其它杂质完全置换掉。

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶。

（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以30ml/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.8℃/min的速率升温至300℃，然后以2.1℃/min速率升温到900℃后保持4个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。

步骤二：除盐电极片的制备

将步骤一制得的碳气凝胶样品在球磨罐中粉碎成粉末状，分别过100目和200目筛子，其中过100目筛子粉末与过200目筛子粉末的质量比为1:3，碳气凝胶粉末与聚四氟乙烯按质量比95:5混合，聚四氟乙烯乳液的质量分数60%。混合得到的混合物中加入一定量的去离子水，使得碳气凝胶质量分数为8%。然后在机械搅拌下搅拌4h后放入鼓风干燥箱中105℃干燥12h，得到的粘状固体均匀涂抹在泡沫镍上，用双层泡沫镍包覆该材料，压扎成片状材料，厚度为5mm，然后将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，制得碳气凝胶除盐电极片。聚四氟乙烯板能够有效起到支撑的作用，防止泡沫镍浸泡时间较长而导致活性材料散落。经试验测定该电极片除盐率达到90%，能够有效去除水中盐分。

对比例1

步骤一：碳气凝胶制备

（1）有机湿凝胶制备：加入一定量的间苯二酚与间苯三酚，间苯二酚与间苯三酚的摩尔比为7:1，然后将混合酚与甲醛按照物质的量之比为1:2混合，加入去离子水配制成质量分数为35%的反应液，加入碳酸钠，所述碳酸钠与多羟基苯酚的摩尔比为1:500，将反应液混合均匀后密封，保温45℃充分反应1.5天，制得湿凝胶。

（2）溶剂置换：将步骤（1）制备的湿凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换，每隔24小时更换一次有机溶剂，期间更换4次，将湿凝胶中的水和其它杂质完全置换掉。

（3）常压干燥：在常温常压下，待有机溶剂自然挥发完全后，即制得干燥的有机气凝胶。

（4）高温炭化：将步骤（3）制备的干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以30ml/min的速率不断通入惰性保护气，先从室温以1.8℃/min的速率升温至300℃，然后以2.1℃/min速率升温到900℃后保持4个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。

步骤二：除盐电极片的制备

将步骤一制得的碳气凝胶样品在球磨罐中粉碎成粉末状，分别过100目和200目筛子，其中过100目筛子粉末与过200目筛子粉末的质量比为1:1.6，碳气凝胶粉末与聚四氟乙烯按质量比95:5混合，聚四氟乙烯乳液的质量分数60%。混合得到的混合物中加入一定量的去离子水，使得碳气凝胶质量分数为8%。然后在机械搅拌下搅拌4h后放入鼓风干燥箱中105℃干燥12h，得到的粘状固体均匀涂抹在泡沫镍上，用双层泡沫镍包覆该材料，压扎成片状材料，厚度为5mm，然后将泡沫镍粘贴在多孔网状惰性聚四氟乙烯板上，制得碳气凝胶除盐电极片。聚四氟乙烯板能够有效起到支撑的作用，防止泡沫镍浸泡时间较长而导致活性材料散落。

对比例2

具体操作如实施例1，区别在于碳气凝胶粉末组成不同，具体见表1：

表1

效果例

对于实施例1~3，对比例1，对比例2中得到的电极片进行除盐效率和除盐率的测定，具体见表2。

表2

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。