有序介孔炭的形态控制及其电容脱盐性能

With the availability of high surface area electrodes for energy storage, water desalination using (Capacitive Deionization, CDI) has emerged as an active research topic. In CDI, salt water passes across high surface area electrodes. During this process, voltage applied to the electrodes causes ions to electromigrate and adsorb on the electrode surfaces to shield the surface charge, thereby reducing the concentration of salt in the solution. In this project, OMC materials with various morphologies, including spherical, rod-like, gyroid-shaped, plate-like and flower-type, were synthesized using different carbon sources and changing the synthesis parameters. Herein we will use a convenient in situ graphitized route to convert them into semi-graphitized mesoporous carbons using transition metal salt as catalyst increasing conduct cyclic voltammetry and impedance. It will be analysed that the relations of particle morphology and internal pore network of prepared electrode materials including porosity、pore arrangement、pore size distribution and pore wall in electric double layer charging process with the electrochemical properties of all new ordered mesoporous carbon materials revealed by cyclic voltammetry and AC impedance spectroscopy tests, and the optimal synthesis condition and route.

电容吸附法脱盐(Capacitive Deionization, CDI) 是一种新开发的水处理技术，目前脱盐过程的研究关键是提高电极材料的脱盐效果。为满足对电极材料良好的导电性和极化能力、高的比表面积以及快速的离子扩散等要求，本课题利用一步硬模板法，选用不同的炭源和模板剂，通过控制合成工艺条件，获得具有球形、棒状、陀螺形、饼状和花朵形等多种形态的短孔道有序介孔炭；进一步在扩孔剂和过渡金属催化剂作用下低温炭化获得直径可控的晶化程度较高的有序介孔炭，从而实现对材料的形貌、比表面积、孔道结构和长径比和骨架晶型的控制生成；探究合成不同形态和孔结构的控制因素和形成机理。系统研究多形态结构有序介孔炭材料对不同金属离子的电吸附性能，揭示复合材料组成成分、制备工艺和参数、形态结构与其电容脱盐性能间的相关性,提出利用短孔道有序介孔炭电极的电吸附脱盐新技术。

本课题采用不同的炭源，通过控制合成工艺制备多种形态的短孔道有序介孔炭。详细考察合成体系中不同物料配比、不同反应温度和不同晶化温度对合成产物形貌和结构的影响。考察制备工艺、扩孔剂和催化剂对材料的形貌、比表面积、孔道结构、长径比和晶形的影响；探究合成不同形态和孔结构的控制因素和形成机理。揭示复合材料组成成分、制备工艺和参数、形态结构与其电容脱盐性能间的相关性。系统研究多形态结构有序介孔炭材料对不同无机离子的电吸附脱盐性能（比电容( Cp ) 和单位脱盐量( Wdesal )），揭示材料组成成分、制备工艺参数、形态结构与其电容脱盐性能间的相关性。获得对有序介孔炭材料的形貌和孔结构调控合成的最佳工艺路线， 通过从而提高材料的离子传输能力和容量保持率，研究离子插入和脱出机制提高电极脱盐特性和电极寿命等进行研究。本课题分别制备了不同比例的二氧化锰掺杂与石墨烯复合、炭气凝胶等多孔炭，同时自制了电容法脱盐实验装置，考察了不同电极材料脱盐效果的区别，讨论了电容法脱盐技术中装置的操作因素影响。经过BET测试发现，duokd炭具有1747m2g-1的比表面积和2nm左右的孔径分布。通过共沉淀的方法分别制备了不同比例（wt1%、wt5%、wt10%、wt20%）二氧化锰掺杂的多孔炭，在恒流充放电测试中wt1%二氧化锰掺杂比电容最高，达到了209F•g-1，在脱盐测试中，其脱盐效果达到10.30mg•g-1，脱除率为19.0%，具有很好的淡化盐水的效果。不同比例（wt1%、wt5%、wt10%、wt20%）石墨烯复合的多孔炭电极材料在石墨烯含量wt5%时，恒流充放电测试中具有很好的循环充放性能，比电容为121 F•g-1，在循环伏安测试中表现出了很好的双电层电容性能，在电容法脱盐测试中，其脱盐效果达到9.70mg•g-1。在制备的两种不同孔径的炭气凝胶的电容法测试中发现，孔径较大（19.6nm）的样品CRF300-20比较小的（9.8nm）具有更好的脱盐效果。