功能化石墨烯/活性炭复合电极及不对称电容器脱盐

卢淼 刘建允 程健 王世平 杨健茂

引用本文: 卢淼, 刘建允, 程健, 王世平, 杨健茂. 功能化石墨烯/活性炭复合电极及不对称电容器脱盐[J]. 物理化学学报, 2014, 30(12): 2263-2271. doi: 10.3866/PKU.WHXB201410141 shu
Citation:  LU Miao, LIU Jian-Yun, CHENG Jian, WANG Shi-Ping, YANG Jian-Mao. Functionalized Graphene/Activated Carbon Composite Electrodes for Asymmetric Capacitive Deionization[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(12): 2263-2271. doi: 10.3866/PKU.WHXB201410141 shu

功能化石墨烯/活性炭复合电极及不对称电容器脱盐

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21476047, 21105009) (21476047, 21105009)

    电分析国家重点实验室课题(SKLEAC201205) (SKLEAC201205)

    中央高校基本科研业务费专项资金(2232012A3-05)资助 (2232012A3-05)

摘要:

以3-氨丙基三乙氧基硅烷(AMPTS)修饰氧化石墨( )还原合成氨基功能化石墨烯(GP-NH2). 傅里叶变换红外(FTIR)光谱和X射线能谱(EDX)分析证明了氨基基团的成功接枝. 以GP-NH2为添加剂, 制备胺化石墨烯/活性炭(GP-NH2/AC)复合电极, 并以GP-NH2/AC 为正极, AC电极为对电极, 组装不对称电容器(AC||GPNH2/AC)用于电容脱盐. 实验表明, AC||GP-NH2/AC 单循环脱盐量为7.63 mg·g-1, 电流效率达77.6%. 利用磺酸重氮盐接枝石墨烯制备磺化石墨烯(GP-SO3H)及磺化石墨烯/活性炭(GP-SO3H/AC)复合电极. 并以GPSO3H/AC为负极, GP-NH2/AC 为正极, 组装不对称电容器(GP-SO3H /AC||GP-NH2/AC)用于电容脱盐, 其平均脱盐速率可达0.99 mg·g-1·min-1, 比纯AC电极提高了接近5倍. 充放电速率提高了30%; 而且由于正、负极表面固有电荷的存在, 大大降低了反离子效应, 电流效率由40% (纯AC||AC对称电容器)提高到92.8%. 表明电极内功能化导电石墨烯的存在既提高了导电性, 又兼具离子选择性的作用, 从而明显改善电极的脱盐性能.

English

    1. [1]

      (1) Sheikholeslami, R. Desalination 2009, 248, 218. doi: 10.1016/j.desal.2008.05.058

      (1) Sheikholeslami, R. Desalination 2009, 248, 218. doi: 10.1016/j.desal.2008.05.058

    2. [2]

      (2) Porada, S.; Zhao, R.; Van DerWal, A.; Presser, V.; Biesheuvel, P. M. Prog. Mater. Sci. 2013, 58, 1388. doi: 10.1016/j.pmatsci.2013.03.005(2) Porada, S.; Zhao, R.; Van DerWal, A.; Presser, V.; Biesheuvel, P. M. Prog. Mater. Sci. 2013, 58, 1388. doi: 10.1016/j.pmatsci.2013.03.005

    3. [3]

      (3) Xu, P.; Drewes, J. E.; Kim, T. U.; Bellona, C.; Amy, G. J. Membrane. Sci. 2006, 279, 165. doi: 10.1016/j.memsci.2005.12.001(3) Xu, P.; Drewes, J. E.; Kim, T. U.; Bellona, C.; Amy, G. J. Membrane. Sci. 2006, 279, 165. doi: 10.1016/j.memsci.2005.12.001

    4. [4]

      (4) Sharifi, M.; Zebarth, B. J.; Burton, D. L.; Grant, C. A.; Hajabbasi, M. A.; Abbassi-Kalo, G. Commun. Soil Sci. Plan. 2009, 40, 2505. doi: 10.1080/00103620903111376(4) Sharifi, M.; Zebarth, B. J.; Burton, D. L.; Grant, C. A.; Hajabbasi, M. A.; Abbassi-Kalo, G. Commun. Soil Sci. Plan. 2009, 40, 2505. doi: 10.1080/00103620903111376

    5. [5]

      (5) Welgemoed, T. J.; Schutte, C. F. Desalination 2005, 183, 327. doi: 10.1016/j.desal.2005.02.054(5) Welgemoed, T. J.; Schutte, C. F. Desalination 2005, 183, 327. doi: 10.1016/j.desal.2005.02.054

    6. [6]

      (6) Zou, L.; Morris, G.; Qi, D. Desalination 2008, 225, 329. doi: 10.1016/j.desal.2007.07.014(6) Zou, L.; Morris, G.; Qi, D. Desalination 2008, 225, 329. doi: 10.1016/j.desal.2007.07.014

    7. [7]

      (7) Pekala, R.W.; Farmer, J. C. Alviso, C. T.; Tran, T. D.; Mayer, S. T.; Miller, J. M.; Dunn, B. J. Non-Cryst. Solids 1998, 22, 74.(7) Pekala, R.W.; Farmer, J. C. Alviso, C. T.; Tran, T. D.; Mayer, S. T.; Miller, J. M.; Dunn, B. J. Non-Cryst. Solids 1998, 22, 74.

    8. [8]

      (8) Wang, X.W.; Jiang, F. T.; Suo, Q. L.; Fang, Y. Z.; Lu, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 2605. [王喜文, 姜芳婷, 索全伶, 方玉珠, 路勇. 物理化学学报, 2011, 27, 2605.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20111116(8) Wang, X.W.; Jiang, F. T.; Suo, Q. L.; Fang, Y. Z.; Lu, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 2605. [王喜文, 姜芳婷, 索全伶, 方玉珠, 路勇. 物理化学学报, 2011, 27, 2605.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20111116

    9. [9]

      (9) Liu, J. Y.;Wang, S. P.; Yang, J. M.; Liao, J. J.; Lu, M.; Pan, H. J.; An, L. Desalination 2014, 344, 446. doi: 10.1016/j.desal.2014.04.015(9) Liu, J. Y.;Wang, S. P.; Yang, J. M.; Liao, J. J.; Lu, M.; Pan, H. J.; An, L. Desalination 2014, 344, 446. doi: 10.1016/j.desal.2014.04.015

    10. [10]

      (10) Suss, M. E.; Baumann, T. F.; Bourcier,W. L.; Spadaccini, C. M.; Rose, K. A.; Santia , J. G.; Stadermann, M. Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 9511. doi: 10.1039/c2ee21498a(10) Suss, M. E.; Baumann, T. F.; Bourcier,W. L.; Spadaccini, C. M.; Rose, K. A.; Santia , J. G.; Stadermann, M. Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 9511. doi: 10.1039/c2ee21498a

    11. [11]

      (11) Porada, S.; Sales, B. B.; Hamelers, H. V. M.; Biesheuvel, P. M. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 1613. doi: 10.1021/jz3005514(11) Porada, S.; Sales, B. B.; Hamelers, H. V. M.; Biesheuvel, P. M. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 1613. doi: 10.1021/jz3005514

    12. [12]

      (12) Oren, Y.; Soffer, A. J. Appl. Electrochem. 1983, 13, 489. doi: 10.1007/BF00617523(12) Oren, Y.; Soffer, A. J. Appl. Electrochem. 1983, 13, 489. doi: 10.1007/BF00617523

    13. [13]

      (13) Anderson, M. A.; Cudero, A. L.; Palma, J. Electrochim. Acta 2010, 55, 3845. doi: 10.1016/j.electacta.2010.02.012(13) Anderson, M. A.; Cudero, A. L.; Palma, J. Electrochim. Acta 2010, 55, 3845. doi: 10.1016/j.electacta.2010.02.012

    14. [14]

      (14) Cohen, I.; Avraham, E.; Noked, M.; Soffer, A.; Aurbach, D. J. Phys. Chem. C. 2011, 115, 19856. doi: 10.1021/jp206956a(14) Cohen, I.; Avraham, E.; Noked, M.; Soffer, A.; Aurbach, D. J. Phys. Chem. C. 2011, 115, 19856. doi: 10.1021/jp206956a

    15. [15]

      (15) Lee, J. B.; Park, K. K.; Eum, H. M.; Lee, C.W. Desalination 2006, 196, 125. doi: 10.1016/j.desal.2006.01.011(15) Lee, J. B.; Park, K. K.; Eum, H. M.; Lee, C.W. Desalination 2006, 196, 125. doi: 10.1016/j.desal.2006.01.011

    16. [16]

      (16) Biesheuvel, P. M.; Zhao, R.; Porada, S.; Van derWal, A. J. Colloid Interface Sci. 2011, 360, 239. doi: 10.1016/j.jcis.2011.04.049(16) Biesheuvel, P. M.; Zhao, R.; Porada, S.; Van derWal, A. J. Colloid Interface Sci. 2011, 360, 239. doi: 10.1016/j.jcis.2011.04.049

    17. [17]

      (17) Li, H.; Zou, L. Desalination 2011, 275, 62. doi: 10.1016/j.desal.2011.02.027(17) Li, H.; Zou, L. Desalination 2011, 275, 62. doi: 10.1016/j.desal.2011.02.027

    18. [18]

      (18) Wan,W. B.; Zhao, Z. B.; Hu, H.; Zhou, Q.; Fan, Y. R.; Qiu, J. S. New Carbon Mater. 2011, 26, 16. [万武波, 赵宗彬, 胡涵, 周泉, 范彦如, 邱介山. 新型炭材料, 2011, 26, 16.](18) Wan,W. B.; Zhao, Z. B.; Hu, H.; Zhou, Q.; Fan, Y. R.; Qiu, J. S. New Carbon Mater. 2011, 26, 16. [万武波, 赵宗彬, 胡涵, 周泉, 范彦如, 邱介山. 新型炭材料, 2011, 26, 16.]

    19. [19]

      (19) Wen, X. R.; Zhang, D. S.; Yan, T. T.; Zhang, J. P.; Shi, L. Y. J. Mater. Chem. A 2013, 39, 12334.(19) Wen, X. R.; Zhang, D. S.; Yan, T. T.; Zhang, J. P.; Shi, L. Y. J. Mater. Chem. A 2013, 39, 12334.

    20. [20]

      (20) Wang, H.; Zhang, D. S.; Yan, T. T.;Wen, X. R.; Shi, L. Y.; Zhang, J. P. J. Mater. Chem. 2012, 22, 23745. doi: 10.1039/c2jm35340g(20) Wang, H.; Zhang, D. S.; Yan, T. T.;Wen, X. R.; Shi, L. Y.; Zhang, J. P. J. Mater. Chem. 2012, 22, 23745. doi: 10.1039/c2jm35340g

    21. [21]

      (21) Zhang, D. S.; Yan, T. T.; Shi, L. Y.; Peng, Z.;Wen, X. R.; Zhang, J. P. J. Mater. Chem. 2012, 22, 14696. doi: 10.1039/c2jm31393f(21) Zhang, D. S.; Yan, T. T.; Shi, L. Y.; Peng, Z.;Wen, X. R.; Zhang, J. P. J. Mater. Chem. 2012, 22, 14696. doi: 10.1039/c2jm31393f

    22. [22]

      (22) Wang, H.; Shi, L. Y.; Yan, T. T.; Zhang, J. P.; Zhong, Q. D.; Zhang, D. S. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 4739.(22) Wang, H.; Shi, L. Y.; Yan, T. T.; Zhang, J. P.; Zhong, Q. D.; Zhang, D. S. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 4739.

    23. [23]

      (23) Lu, M.; Liu, J. Y.;Wang, S. P.; Cheng, J. Chem. J. Chin. Univ. 2014, 35 (7), 1546. [卢淼, 刘建允, 王世平, 程健. 高等学校化学学报, 2014, 35 (7), 1546.](23) Lu, M.; Liu, J. Y.;Wang, S. P.; Cheng, J. Chem. J. Chin. Univ. 2014, 35 (7), 1546. [卢淼, 刘建允, 王世平, 程健. 高等学校化学学报, 2014, 35 (7), 1546.]

    24. [24]

      (24) Hummers,W. S.; Offeman, R. E. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 339.(24) Hummers,W. S.; Offeman, R. E. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 339.

    25. [25]

      (25) Xu, Y. X.; Bai, H.; Lu, G.W. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5856. doi: 10.1021/ja800745y(25) Xu, Y. X.; Bai, H.; Lu, G.W. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5856. doi: 10.1021/ja800745y

    26. [26]

      (26) Si, Y.; Samulski, E.T. Nano Lett. 2008, 8, 1679. doi: 10.1021/nl080604h(26) Si, Y.; Samulski, E.T. Nano Lett. 2008, 8, 1679. doi: 10.1021/nl080604h

    27. [27]

      (27) Stankovich, S.; Piner, R. D.; Nguyen, S. B. T.; Ruoff, R. S. Carbon 2006, 44, 3342. doi: 10.1016/j.carbon.2006.06.004(27) Stankovich, S.; Piner, R. D.; Nguyen, S. B. T.; Ruoff, R. S. Carbon 2006, 44, 3342. doi: 10.1016/j.carbon.2006.06.004

    28. [28]

      (28) Yang, J.; Zou, L.; Choudhury, N. R. Electrochim. Acta 2013, 91, 11. doi: 10.1016/j.electacta.2012.12.089(28) Yang, J.; Zou, L.; Choudhury, N. R. Electrochim. Acta 2013, 91, 11. doi: 10.1016/j.electacta.2012.12.089

    29. [29]

      (29) Kumar, M.; Singh, K.; Dhawan, S. K.; Tharanikkarasu, K.; Chung, J. S.; Kong, B. S.; Hur, S. H. Chem. Eng. J. 2013, 231, 397. doi: 10.1016/j.cej.2013.07.043(29) Kumar, M.; Singh, K.; Dhawan, S. K.; Tharanikkarasu, K.; Chung, J. S.; Kong, B. S.; Hur, S. H. Chem. Eng. J. 2013, 231, 397. doi: 10.1016/j.cej.2013.07.043

    30. [30]

      (30) Fang, F.; Kong, L.; Huang, J.;Wu, S.; Zhang, K.;Wang, X.; Liu, J. J. Hazard. Mater. 2014, 270, 1. doi: 10.1016/j.jhazmat.2014.01.031(30) Fang, F.; Kong, L.; Huang, J.;Wu, S.; Zhang, K.;Wang, X.; Liu, J. J. Hazard. Mater. 2014, 270, 1. doi: 10.1016/j.jhazmat.2014.01.031

    31. [31]

      (31) Hari, S.; ossens, A. M.; Vandersypen, L. M. K.; Hagen, C.W. Microelectron. Eng. 2014, 121, 122. doi: 10.1016/j.mee.2014.04.037(31) Hari, S.; ossens, A. M.; Vandersypen, L. M. K.; Hagen, C.W. Microelectron. Eng. 2014, 121, 122. doi: 10.1016/j.mee.2014.04.037

    32. [32]

      (32) Liu, C. P.; Chang, M.W.; Chuang, C. L. Curr. Appl. Phys. 2014, 14, 653. doi: 10.1016/j.cap.2014.02.017(32) Liu, C. P.; Chang, M.W.; Chuang, C. L. Curr. Appl. Phys. 2014, 14, 653. doi: 10.1016/j.cap.2014.02.017

    33. [33]

      (33) Huang,W.; Ouyang, X.; Lee, L. J. ACS Nano 2012, 6, 10178. doi: 10.1021/nn303917p(33) Huang,W.; Ouyang, X.; Lee, L. J. ACS Nano 2012, 6, 10178. doi: 10.1021/nn303917p

    34. [34]

      (34) Kudin, K. N.; Ozbas, B.; Schniepp, H. C.; Prud'Homme, R. K.; Aksay, I. A.; Car, R. Nano lett. 2008, 8, 36. doi: 10.1021/nl071822y

      (34) Kudin, K. N.; Ozbas, B.; Schniepp, H. C.; Prud'Homme, R. K.; Aksay, I. A.; Car, R. Nano lett. 2008, 8, 36. doi: 10.1021/nl071822y

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  548
  • 文章访问数:  826
  • HTML全文浏览量:  6
文章相关
  • 发布日期:  2014-11-27
  • 收稿日期:  2014-06-23
  • 网络出版日期:  2014-10-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章