中國粉體網(wǎng)訊 石墨烯材料具有優(yōu)異的電子傳輸、導熱、機械加工性能及高比表面積、高比電容等優(yōu)勢，在電容去離子技術（CDI）領域有廣泛應用前景。但石墨烯存在層間堆垛現(xiàn)象，導致實際比表面積和比電容遠小于理論值，其微孔雙電層也因重疊而減弱，導致吸附容量降低，限制了石墨烯性能發(fā)揮，同時其疏水性也限制CDI脫鹽性能。改進石墨烯基電極材料提高CDI脫鹽性能主要從以下幾個方面進行：
優(yōu)化石墨烯電極材料設計
完整的石墨烯表面呈惰性，不易與其他物質相互作用，層間存在較強范德華力，易產生聚集，導致石墨烯難融入水及其他溶劑中。通過利用石墨烯邊沿/缺陷處的活性位點，引入羥基、羧基、磺酸基等親水基團可改變石墨烯的親/疏水性能。研究發(fā)現(xiàn)磺化改性法，即含磺酸基官能團物質與石墨烯/氧化石墨烯反應成鍵得到結構穩(wěn)定的復合材料，既可保持石墨烯的原有性能，又能提高其水中分散性。
優(yōu)化石墨烯電極材料比表面積/孔隙
比表面積是電極材料的關鍵性能參數(shù)，比表面積越大，電極和溶液的接觸面越大，吸附位點越多，離子吸附量和吸附速率越高。綜合考慮比表面積和孔隙在CDI脫鹽過程中的不同作用，需要設計適宜孔隙結構，只有孔徑大小合理分布才能發(fā)揮石墨烯電極材料的優(yōu)異性能。常見的方法主要有以下兩種：
三維結構化設計：將石墨烯材料進行三維結構化設計，減弱二維石墨烯材料片層間“層-層”堆垛的影響，提高比表面積，改善孔隙結構。
多孔碳摻雜：將石墨烯與多孔碳材料進行復合，能夠有效改善石墨烯比表面積/孔隙結構。常見的多孔碳材料有：活性炭、介孔碳、碳氣凝膠、碳納米管、活性炭納米纖維等。
優(yōu)化石墨烯電極材料導電性
CDI電極應選擇具有較高比電容的材料。同條件下，電極材料的比電容越高，其雙電層電容越高，對離子的吸附能力越強，脫鹽效果越好；同時，法拉第電容越高，同等條件下電極的導電性越強，消耗的內阻電勢越小，電極離子吸附量越高。對于石墨烯材料，目前常用摻雜/負載導電性物質以改進其導電性，主要方法包括金屬氧化物的摻雜、導電聚合物的摻雜和氮摻雜。
石墨烯/金屬氧化物摻雜：金屬氧化物納米粒子如TiO2、MnO2、Co3O4、Fe3O4等嵌入可明顯改善石墨烯電化學性能，提高電容量，有效解決團聚問題。
石墨烯/導電聚合物摻雜：導電聚合物是由有延伸的共軛π鍵的高分子主鏈經(jīng)化學或電化學摻雜而顯示半導體甚至導體性質的聚合物，石墨烯材料與導電聚合物間的電子傳遞可實現(xiàn)電極材料性能的進一步增強與擴展。
氮摻雜石墨烯基電極：N摻雜除提高材料的導電性，還可引入大量缺陷結構，產生更多接觸面積，增強石墨烯材料吸附活性。
促進石墨烯基電極吸附材料的大規(guī)模推廣應用，還應繼續(xù)探索以下問題：
1)探討制備工藝對石墨烯基材料的影響，優(yōu)化石墨烯基材料在工藝多樣性條件下的材料性能穩(wěn)定；
2)系統(tǒng)性研究石墨烯基材料的微觀結構構建，解決團聚問題，設計并制備高親水性、高比表面積、合適的孔隙、高導電性的材料；
3)加強對石墨烯基電極材料綜合性能評估，CDI電極脫鹽效果受導電性能、比表面積、孔徑、電導率、比電容等綜合影響。
參考資料：
徐斌. 石墨烯基電吸附電極材料的研究進展
王雷. 石墨烯基電極材料的設計和構建及其在電容去離子中的應用
王鵬君. 親水性石墨烯及其復合材料的制備與性能研究
