摘 要

淡水资源的严重缺乏已经成为了全球必须面对的问题，电容脱盐技术作为一种新型的海水淡化技术，成为人们关注研究的焦点。电容脱盐技术是通过施加静电场，使含盐水中的离子在静电场的作用下向电极移动，从而达到除去含盐水中电解质的目的。

本论文将石墨烯及石墨烯/介孔碳电极作为研究对象，以氧化石墨烯为原料，采用热还原法，在氮气保护下以一定的升温速度还原氧化石墨烯，制备还原性氧化石墨烯（rGO）。探讨还原温度对石墨烯结构和形貌的影响；采用涂覆法制备电极，将制得的rGO以不同的比例与介孔碳、PTFE混合，对所制备的电极进行电化学性能及电容脱盐性能测试与分析，研究原料配比对rGO/介孔碳复合电极电化学及脱盐性能的影响，并寻找出最优的氧化石墨烯还原条件及电极配比。

研究结果表明：1.当介孔碳、rGO与PTFE的比例一定时，600℃的还原温度下制得的石墨烯与介孔碳复合的电极的电容脱盐性能更好。2.介孔碳与相同还原温度下制备出的rGO的复合电极中，电极材料原料配比为介孔碳:rGO:PTFE=85:10:5的rGO/介孔碳电极的电容脱盐性能最好。

关键词：石墨烯；石墨烯/介孔碳电极；电化学性能；电容脱盐性能

Abstract

The scarcity of fresh water resources is an inevitable problem faced by global community. Capacitive deionization is a new and highly anticipated method which applies a voltage between two electrodes, resulting in migration of ions towards these electrode. Therefore, the purpose of removing salt ions is achieved.

In this work, synthesis of reduced graphene oxide(rGO) and rGO/mesoporous carbon electrode are the two main focus of research. Graphene oxide is reduced to rGO using thermal reduction process in nitrogen environment. The influence of temperature to the structure and morphology of rGO is investigated. The resultant rGO is further mixed with PTFE and mesoporous carbon and coated on carbon sheets in order to produce electrode. The effects of the ratio of raw materials to electrodes’ electrochemical and the deionization performance are investigated.

The results show that: 1. Keeping the ratio of mesoporous carbon, rGO and PTFE constant, the electrode produced with rGO prepared at 600°C has the best capacitive deionization performance. 2. Blending mesoporous carbon with rGO prepared at the same temperature, we found out that carbon, rGO and PTFE in the ratio of 85:10:5 respectively produce electrode with the best capacitive deionization.

Key Words：rGO; rGO/mesoporous carbon electrode; electrochemical properties; capacitive deionization performance

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 海水淡化技术概述 1

1.3 电容脱盐技术概述 2

1.4 本文研究内容 5

第2章 实验材料与研究方法 7

2.1 实验试剂和仪器设备 7

2.2 实验过程 7

2.3 材料结构与形貌表征 8

2.4 电化学性能测试 9

2.5 电容脱盐性能测试 10

第3章 还原温度对石墨烯/介孔碳电极的电化学性能和电容脱盐性能的影响 11

3.1 rGO物相、形貌及结构的分析 11

3.2 还原温度对石墨烯/介孔碳电极的电化学性能的影响 13

3.3 还原温度对石墨烯/介孔碳电极的电容脱盐性能的影响 17

3.4 本章小结 20

第4章 原料配比对石墨烯/介孔碳电极的电化学性能和电容脱盐性能的影响 21

4.1 原料配比对石墨烯/介孔碳电极的电化学性能的影响 21

4.2 原料配比对石墨烯/介孔碳电极的电容脱盐性能的影响 25

4.3 本章小结 29

第5章 结论 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

地球上水资源的储备量其实十分充足，有约14.5亿立方千米。但是淡水资源仅占全球总储水量的2.5%，其中大部分还以冰川等形式储存起来，人们无法加以利用，人们可以利用的河流、湖泊、浅层地表水等仅占地球淡水资源的0.2%^[1]。随着现在环境污染的加重，人类可用的淡水资源在逐渐受到污染，淡水资源变得越来越稀缺。研究数据表明，如今全球有约20亿人无法喝到洁净水，预计到2025年，淡水资源将更加稀缺，全世界缺水人口总数将达到28-33亿^[2]。我国属于世界上13个严重贫水的国家之一^[3]。目前，全国有近400个城市饮用水不足，接近30%的人无法喝到洁净水，甚至有近8000万人每天在喝氟超标的高氟水。每年我国因为水资源不足而引发的经济上的亏损竟高达150亿元，因为水资源受到污染而引发的经济上的亏损更是高达近420亿元^[4]。各类数据表明：淡水资源的严重缺乏已经成为了全球必须面对的重大问题。因此，如何显著改善目前这种淡水资源严重缺乏的现象成为了全球瞩目的焦点。

为了解决淡水资源缺乏的问题，海水淡化技术作为从海水中制取淡水的“开源”性技术逐渐成为了人们研究的焦点。海水占到全球总水量的97.5%，若能将海水脱盐淡化制备淡水，将在很大程度上改善日益紧张的淡水资源缺乏的这种现象。经过多年的技术研发，海水淡化技术不仅在技术上可行，而且在经济上也已被接受，现已被广泛应用，在一定程度上解决了人类生产生活用水等问题。全球已有十多个国家的几百多个实验室与研发机构，每天在对海水淡化技术做着分析与研究，数百种不同构造的海水淡化设备在不断运转着^[5]。因此，海水淡化技术是改善淡水资源缺乏的重要方法。

1.2 海水淡化技术概述