Композитные графен-содержащие пористые материалы для электросорбции и емкостной деионизации воды

Высокопористые аэрогели на основе углеродных наноматериалов – перспективные материалы для новых электрохимических технологий. Емкостная деионизация воды – удаление ионов из водного раствора путем приложения малых значений внешнего напряжения к электродам с большой удельной поверхностью. Данный метод является на сегодняшний день одним из наиболее перспективных для опреснения растворов с низкой минерализацией. Основная проблема для емкостной деионизации заключается в получении доступных электродных материалов с высокой пористостью, электропроводностью, гидрофильностью и хорошими механическими свойствами для использования в течение большого количества циклов адсорбциидесорбции. Для этих целей углеродные аэрогели являются одними из наиболее перспективных материалов. Статья посвящена синтезу новых материалов – высокопористых монолитных композитных аэрогелей с пространственной трехмерной структурой, образованной восстановленным оксидом графена и нанотрубками; исследованию их электросорбционных свойств в экспериментах с использованием указанных монолитов в качестве электродов для емкостной мембранной деионизации воды. Предложены новые методы синтеза углеродных высокопористых композитных аэрогелей, где каркас представлен восстановленным оксидом графена и углеродными нанотрубками. Разработаны простые методики по гидрофилизации синтезированных образцов. Изготовлены новые электродные материалы для электросорбции, исследованы и испытаны в электрохимических ячейках для мембранной емкостной деионизации. Сверхпористые (более 99%) углеродные композитные аэрогели с плотностью не более 0.02 г/см3, имеющие жесткую структуру и характеризующиеся хрупкостью образующихся монолитов, не эффективны в процессах емкостной мембранной деионизации. Эластичные аэрогели с более плотной структурой, пористостью до 95% и плотностью не менее 0.12 г/см3, синтезированные в присутствии поливинилового спирта, имеют относительно высокую электросорбционную емкость по отношению к хлориду натрия. К примеру, если концентрация раствора 1 г/дм3, то емкость материала достигает 25 мг/г (3 мг/см3). Данные аэрогели также демонстрируют хорошую стабильность, что делает их очень перспективными для использования в технологиях емкостной деионизации.