介孔碳及其复合材料的电容型脱盐性能研究(专业定制研究生化工专业毕业论文)

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介孔碳及其复合材料的电容型脱盐性能研究(专业定制研究生化工专业毕业论文)

                介孔碳及其复合材料的电容型脱盐性能研究

                          摘 要
电容型脱盐是一种基于双电层电容原理的全新脱盐技术,为研发低能耗、
低成本的脱盐技术提供了新途径。碳材料以其高比表面积、良好的导电性能、
高稳定性引起了人们极大的兴趣。近年来,介孔碳作为一种新型材料,由于其
独特的多孔结构,获得了研究者们青睐。而对于电容性脱盐技术而言,除了高
比表面积、高稳定性,还有一个重要的因素就是电极材料的导电性,这是脱盐
过程中保证低耗能的关键之一。纳米碳管具有特殊的管状结构、其良好的导电
性能及高比表面积,而在电容型脱盐的应用上有了一定的研究。本文通过溶剂
挥发自组装的方法,以三嵌段共聚物作为模板制备介孔碳以及介孔碳/纳米碳管
复合材料,从而建立电极材料形貌结构和电化学性能、脱盐性能之间的关系。
主要内容如下:
1.不同介孔结构介孔碳材料的电容型脱盐性能研究
通过改变模板剂的种类和模板/苯酚比例,合成不同孔结构的介孔碳,主要
有二维六方型(P6m)、三维立方体心结构(Im  m)、三维双连续结构(Ia   d)。研究
不同孔结构介孔碳电极对于不同阳离子溶液的吸附性能的影响,讨论了不同孔
结介孔碳的吸附机理,发现 P6m型电极对于一价阳离子的吸附最好,而  Im   m
型电极比较适用于二、三价阳离子的吸附。通过接触角测试发现三种孔结构的
介孔碳均具有较好的亲水性,且  P6m型电极最优。充放电测试结果表明    P6m
型电极具有较好的电化学稳定性和较长的电极寿命。此外,还研究了三种孔结
构在 NaCl溶液中的电容型脱盐吸附性能,发现二维六方型结构的介孔碳的电容
型脱盐吸附性能最好。
2.介孔碳/纳米碳管材料的合成及电容型脱盐性能研究
通过采用改进后的有机-无机自组装方法,设计合成形态结构可控的介孔碳
/纳米碳管复合材料。研究发现纳米碳管的含量为   10%时电极的电化学性能最
好,  CNTs为复合材料导电网络的形成提供了可能,使得复合电极的比电容相
V比于单纯的介孔碳有所提高。而电极的电阻也因为导电网络的形成而有所降低。
复合后的电极依旧具有良好的充放电可逆性和电化学稳定性。在能耗方面,由
于复合电极电阻降低,复合电极在脱盐过程中的能耗也有所降低。通过脱盐性
能研究发现,复合电极的电容型脱盐性能均高于介孔碳及活性碳。
3.介孔碳/纳米碳管复合电极材料的表面结构改性及脱盐性能研究
研究了 HNO3、CO2、KOH改性介孔碳/纳米碳管复合电极材料对其电化学
及电容型脱盐性能的影响。通过改变活化条件,考察活化方法对复合电极结构
及电化学性能的影响;综合比较,KOH活化得到的复合材料最适合用于电容型
脱盐。而对于 KOH活化,相比于其他的活化条件,KOH/C比例为   2:1、温度为
800℃时,复合电极的介孔数量增大、比表面积显著提高、比电容最大,电化学
性能得以提高。充放电测试表明,KOH/C比例为   2:1、温度为  800℃条件下活
化电极具有良好的电化学稳定性和充放电可逆性。研究还发现,虽然经过  KOH
活化后电极的电阻有所增大,但是由于电极的电容型吸附性能有所提高,因此
电极在脱盐过程中的能耗并未增加。通过脱盐测试,发现上述活化条件下得到
的电极相比于未活化复合电极具有更高的脱盐效率和更快的脱盐速率。
关键词:介孔碳,纳米碳管,复合材料,电容型脱盐
VI
目录
要  ....................................................................................................................V
ABSTRACT...........................................................................................................     VII
目录........................................................................................................................      IX
第一章绪论.............................................................................................................       1
1.1研究背景及意义................................................................................................................1
1.2脱盐技术发展现状.............................................................................................................2
1.3电容型脱盐技术发展现状................................................................................................5
1.3.1碳气凝胶在电容型脱盐方面的研究现状...........................................................7
1.3.2活性炭在电容型脱盐方面的研究现状...............................................................8
1.3.3石墨烯在电容型脱盐方面的研究现状...............................................................9
1.3.4介孔碳在电容型脱盐方面的研究现状.............................................................   11
1.3.5纳米碳管在电容型脱盐方面的研究现状.........................................................13
1.4本文研究内容..................................................................................................................14
参考文献:.....................................................................................................................15
第二章不同孔结构介孔碳材料电容性脱盐性能研究    ..........................................21
2.1.引言...................................................................................................................................21
2.2.实验部分...........................................................................................................................22
2.2.1实验原料...............................................................................................................22
2.2.2实验仪器与设备...................................................................................................22
2.2.3实验方法................................................................................................................23
2.2.4分析测试................................................................................................................23
2.3结果与讨论.......................................................................................................................24
2.3.1不同孔结构介孔碳的结构分析............................................................................24
2.3.2不同孔结构介孔碳电极的电化学性能分析........................................................27
2.3.3不同孔结构介孔碳电极的阻抗、电化学稳定性分析   ........................................31
2.3.4不同孔结构介孔碳电极的电容型脱盐性能分析................................................33
2.4结论...................................................................................................................................34
参考文献:..............................................................................................................34
第三章介孔碳/纳米碳管复合材料的制备及其电容型脱盐性能研究..................38
3.1引言..................................................................................................................................38
3.2实验部分..........................................................................................................................39
3.2.1实验原料...............................................................................................................39
3.2.2实验仪器与设备...................................................................................................40
3.2.3实验方法...............................................................................................................40
IX
 
 
上海大学硕士学位论文
3.2.4分析测试...............................................................................................................41
3.3结果与讨论......................................................................................................................42
3.3.1介孔碳/纳米碳管复合材料的形貌和结构分析..................................................42
3.3.2介孔碳/纳米碳管的复合电极的电化学性能分析..............................................44
3.3.3介孔碳/纳米碳管复合电极的阻抗、电化学稳定性分析..................................49
3.3.4介孔碳/纳米碳管复合电极的功率和能量密度分析..........................................50
3.3.5介孔碳/纳米碳管复合电极的电容型脱盐性能分析..........................................52
3.4本章小结..........................................................................................................................53
参考文献:.....................................................................................................................53
第四章介孔碳/纳米碳管复合材料的表面改性及电容型脱盐性能研究      ............56
4.1引言...................................................................................................................................56
4.2实验部分..........................................................................................................................57
4.2.1实验原料...............................................................................................................57
4.2.2实验仪器与设备...................................................................................................57
4.2.3实验测试...............................................................................................................58
4.2.4分析方法...............................................................................................................59
4.3结果与讨论......................................................................................................................60
4.3.1不同活化方法的介孔碳/纳米碳管复合材料形貌和结构分析..........................60
4.3.2 KOH活化介孔碳/纳米碳管复合电极的电化学性能分析   .................................65
4.3.3 KOH活化介孔碳/纳米碳管复合电极的阻抗、功率和能量密度分析..............68
4.3.4 KOH活化介孔碳/纳米碳管复合电极的脱盐性能分析   .....................................70
4.4本章小节..........................................................................................................................71
参考文献:.....................................................................................................................72
第五章结论与展望      ..............................................................................................75
5.1结论..................................................................................................................................75
5.2后续研究与展望...............................................................................................................77
作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文及申请的专利 ....................................78
作者在攻读硕士学位期间所参与的项目  ...............................................................79
谢  .................................................................................................................80
X
参考文献:
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http://www.bysj360.com/html/4824.html http://www.bylw520.net/html/5153.html
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