清華大學張芳團隊:石墨烯基柔性薄膜的高效製備助力地下水淨化

2020-12-05 科技與生活視野

石墨烯基柔性自支撐薄膜具有重量輕、結構穩定、機械韌性高、耐高強度彎曲摺疊、導電高等優勢，可以很好解決塗布時電極活性物質易粉化剝離、彎折過程中短路以及材料保存問題。由於石墨烯材料表面官能團較少，分散液中溶解度較低，不易直接製備成柔性薄膜，因此常利用氧化石墨烯（GO）前驅體後還原方式製備，其中真空抽濾法由於設備廉價、操作簡單、定量方便等特點被研究者廣泛使用。但該方法存在部分局限：1. 水系抽濾法耗時較長，分散溶劑揮發較慢，無法達到快速製備的目的；2. 製備的薄膜尺寸較小，難以實現規模化生產。

為了克服傳統水系真空抽濾法的缺陷，清華大學張芳團隊設計了以乙醇（EtOH）作為GO分散劑的抽濾方法製備一系列柔性GO自支撐薄膜，並通過熱還原手段製備了摻N還原石墨烯（NDG）薄膜，對製備的自支撐薄膜微觀結構、形成機理、電化學性能等進行了系統地研究。

GO-EtOH法具有以下優勢：1. 抽濾速率較傳統水系方式提升近200倍，製備面積12.5 cm2的GO薄膜僅需2 min。2. 實現了700 cm2大尺寸薄膜的快速高效製備。3. 利用輔助的有機染料製備了多種彩色GO薄膜，豐富了柔性GO薄膜體系。

以高柔性的GO薄膜作為前驅體，利用熱還原法製備的柔性NDG自支撐薄膜具有活性電極以及集流體兩種作用，以吡咯氮和吡啶氮構型為主，鹼性條件下，NDG薄膜比電容量為480.0 F g1。構建的H2O/KOH柔性超級電容器，0.5 A g1電流密度條件，比電容量可達312.5 F g1。構建的對稱電容去離子單元，對硫酸鹽和鉻酸鹽具有較好的脫鹽性能，在地下水淨化中具有潛在應用價值。

該論文以「Preparation and characterization of colorful graphene oxide papers andflexible N-doping graphene papers for supercapacitor and capacitive deionization」問題，發表在Carbon Energy，DOI: 10.1002/cey2.59

論文通訊作者簡介

張芳副教授

張芳老師於2008年獲得清華大學雙學士學位（環境工程與經濟學專業），2010和2012年在美國賓夕法尼亞州立大學分別獲得碩士學位和博士學位，師從B.E. Logan教授，之後2012~2014年繼續在Logan課題組從事博士後研究。張芳老師於2015年任清華大學大學環境學院助理教授，2017年晉升為副教授。張芳副教授的研究領域主要為地下水電化學修復，高催化活性電極材料研發以及微生物電化學技術，研究成果在國際著名期刊如：Energy Environ. Sci., Environ. Sci. Technol., ACS Appl. Mater. Interface, J. Hazard. Mater., Environ. Sci. Technol. Lett., J. Power Sources, Electrochim. Acta, Sci. TheTotal Environ., Chemosphere等發表論文60餘篇。

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