如何改進(jìn)石墨烯基電吸附電極材料？

　　石墨烯材料具有優(yōu)異的電子傳輸、導(dǎo)熱、機(jī)械加工性能及高比表面積、高比電容等優(yōu)勢(shì)，在電容去離子技術(shù)（CDI）領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。但石墨烯存在層間堆垛現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)際比表面積和比電容遠(yuǎn)小于理論值，其微孔雙電層也因重疊而減弱，導(dǎo)致吸附容量降低，限制了石墨烯性能發(fā)揮，同時(shí)其疏水性也限制CDI脫鹽性能。改進(jìn)石墨烯基電極材料提高CDI脫鹽性能主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

優(yōu)化石墨烯電極材料設(shè)計(jì)

　　完整的石墨烯表面呈惰性，不易與其他物質(zhì)相互作用，層間存在較強(qiáng)范德華力，易產(chǎn)生聚集，導(dǎo)致石墨烯難融入水及其他溶劑中。通過(guò)利用石墨烯邊沿/缺陷處的活性位點(diǎn)，引入羥基、羧基、磺酸基等親水基團(tuán)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(tuán)物質(zhì)與石墨烯/氧化石墨烯反應(yīng)成鍵得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的復(fù)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(guān)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(diǎn)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(guò)程中的不同作用，需要設(shè)計(jì)適宜孔隙結(jié)構(gòu)，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(jiàn)的方法主要有以下兩種：

　　三維結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)：將石墨烯材料進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)。

多孔碳摻雜：將石墨烯與多孔碳材料進(jìn)行復(fù)合，能夠有效改善石墨烯比表面積/孔隙結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的多孔碳材料有：活性炭、介孔碳、碳?xì)饽z、碳納米管、活性炭納米纖維等。

優(yōu)化石墨烯電極材料導(dǎo)電性

      CDI電極應(yīng)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(duì)離子的吸附能力越強(qiáng)，脫鹽效果越好；同時(shí)，法拉第電容越高，同等條件下電極的導(dǎo)電性越強(qiáng)，消耗的內(nèi)阻電勢(shì)越小，電極離子吸附量越高。對(duì)于石墨烯材料，目前常用摻雜/負(fù)載導(dǎo)電性物質(zhì)以改進(jìn)其導(dǎo)電性，主要方法包括金屬氧化物的摻雜、導(dǎo)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(xué)性能，提高電容量，有效解決團(tuán)聚問(wèn)題。

　　石墨烯/導(dǎo)電聚合物摻雜：導(dǎo)電聚合物是由有延伸的共軛π鍵的高分子主鏈經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)摻雜而顯示半導(dǎo)體甚至導(dǎo)體性質(zhì)的聚合物，石墨烯材料與導(dǎo)電聚合物間的電子傳遞可實(shí)現(xiàn)電極材料性能的進(jìn)一步增強(qiáng)與擴(kuò)展。

　　氮摻雜石墨烯基電極：N摻雜除提高材料的導(dǎo)電性，還可引入大量缺陷結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生更多接觸面積，增強(qiáng)石墨烯材料吸附活性。

促進(jìn)石墨烯基電極吸附材料的大規(guī)模推廣應(yīng)用，還應(yīng)繼續(xù)探索以下問(wèn)題：

1、探討制備工藝對(duì)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(jié)構(gòu)構(gòu)建，解決團(tuán)聚問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制備高親水性、高比表面積、合適的孔隙、高導(dǎo)電性的材料；

3、加強(qiáng)對(duì)石墨烯基電極材料綜合性能評(píng)估，CDI電極脫鹽效果受導(dǎo)電性能、比表面積、孔徑、電導(dǎo)率、比電容等綜合影響。