董旭明，張勝寒，2，狄 杰，王智麟，祁偉健

（1.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，河北保定 071003；2.河北省燃煤電站煙氣多污染物協(xié)同控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003）

水資源緊缺是我國發(fā)展中遇到的嚴(yán)重問題，而伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水環(huán)境的污染進(jìn)一步加劇了水資源供需矛盾。為解決這些問題，研究人員相繼開發(fā)出多種水處理技術(shù)。例如離子交換法、多效蒸發(fā)、電滲析、反滲透等技術(shù)。但這些技術(shù)都或多或少地存在一些問題，如成本高、能耗大、結(jié)垢、二次污染等。因此，當(dāng)前亟需尋找一種新型的水處理技術(shù)來替代傳統(tǒng)水處理工藝。

電吸附技術(shù)（EST），又稱電容去離子技術(shù)（CDI），是一種新型的水處理技術(shù)，其具有操作靈活、成本低、無二次污染、吸附量大以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可用于分離水中無機(jī)及有機(jī)分子，吸附劑再生和分離濃縮生物分子等〔1〕，在廢水處理和水資源凈化方面，有著良好的應(yīng)用效果〔2-3〕。筆者介紹了電吸附技術(shù)原理及活性炭基電極、石墨烯基電極、碳?xì)饽z基電極、碳納米材料電極等碳基電極材料的研究情況，對(duì)比分析了4 種電極材料的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望了電吸附電極材料未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 EST 原理

EST 是利用帶電電極表面的帶電特性吸附水中與帶電電極表面電荷符號(hào)相反的陰陽離子，使水中鹽類分解并在帶電電極表面上富集進(jìn)而達(dá)到凈化水質(zhì)目的的新型水處理技術(shù)〔4〕。其工作原理見圖1，在正負(fù)吸附電極兩端施加外加電壓，電極之間形成靜電場(chǎng)，當(dāng)原水通過電吸附電極時(shí)，水中的帶電粒子（陰陽離子、膠體等）在靜電場(chǎng)中受到靜電力而被迫向帶相反電荷的電極板移動(dòng)，在電極板表面形成雙電層，帶電粒子吸附并暫時(shí)儲(chǔ)存在雙電層中。隨著帶電粒子在電極表面的富集，原水的離子、膠體顆粒大大降低，從而實(shí)現(xiàn)了水的凈化〔圖1（a）〕。當(dāng)電極兩端雙電層達(dá)到飽和時(shí)，進(jìn)行解吸過程，將直流電源去掉，并將正負(fù)極短接，此時(shí)，儲(chǔ)存在雙電層中的離子又重新回到通道中，隨水流排出，電極也由此得到再生〔圖1（b）〕。

圖1 EST 原理示意Fig.1 Schematic diagram of the EST principle

2 電極材料

自電吸附技術(shù)被提出以來，電極材料作為電吸附技術(shù)的關(guān)鍵一直都是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。電極材料性能的好壞在很大程度上影響了其吸附量的大小、吸附速率的快慢以及吸附的選擇性。性能優(yōu)異的電極材料應(yīng)該具有導(dǎo)電性好、穩(wěn)定性高、比表面積大、孔容適宜、吸附量大、選擇性高等特點(diǎn)〔5〕。因此，碳基材料常被用于制備電吸附電極。近年來，隨著多孔碳、碳納米材料的出現(xiàn)，電極的制備及研究逐漸地活躍起來，電吸附技術(shù)也進(jìn)入了發(fā)展的黃金時(shí)期。

2.1 活性炭基電極

活性炭具有大的比表面積、多孔結(jié)構(gòu)、吸附性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及可再生等特點(diǎn)，因此常被選用為基底制作電極材料〔6〕。單獨(dú)的活性炭作為電極材料的吸附性能不是很高，常常通過碳化增加活性炭的比表面積、開孔率，或者通過模板法、表面負(fù)載法等在活性炭表面負(fù)載其他材料以提高吸附的效果。郭亞萍等〔7〕用烘箱干燥的方法制備了微孔比表面積達(dá)1 000～1 500 m2∕g 的活性炭電極用于處理水中氯仿，當(dāng)電壓為0.5 V 時(shí)，電吸附容量可達(dá)160 μg∕g，吸附過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。C.C.HUANG 等〔8〕通過模板法合成了中孔碳作為電極，用來吸附含有螯合劑的水溶液中的銅離子，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)施加電壓為0.8 V 時(shí)，中孔碳電極對(duì)Cu2+的電吸附容量可達(dá)70.18 mg∕g。

一些由廢棄物生產(chǎn)的活性炭也可以用于電吸附材料。Cuijie FENG 等〔9〕通過熱解碳化木質(zhì)纖維素海綿（LS）來制備多孔活性炭電極，這種電極具有分層多孔結(jié)構(gòu)，在通道壁上有許多中孔及微孔，將其用于電吸附10 mmol∕L 的NaCl 溶液，電吸附容量可達(dá)22.5 mg∕g。L.G.CHONG 等〔10〕利用富含碳的棕櫚殼廢物制備活性炭，通過將該活性炭分散到石墨烯層中，使得分散在石墨烯層中的多孔活性炭顆?？梢孕纬尚碌目紫到y(tǒng)，制備出了石墨烯-活性炭（GAC）電極，該電極具有高表面積、高電容和低電阻的優(yōu)點(diǎn)，將其用于電吸附反滲透（RO）處理后的微咸廢水，結(jié)果表明，在1.2 V—0 V—1.2 V 的電吸附循環(huán)試驗(yàn)中，當(dāng)活性炭電極效率從2.7%下降到1.6%時(shí)，GAC電極的電吸附效率卻從1.6%增加到3.0%，說明了GAC 電極有良好的再生性能。J.ELISADIKI 等〔11〕將農(nóng)業(yè)廢棄的菠蘿蜜果皮進(jìn)行碳化，并在不同溫度下用KOH 活化1 h，制成了高表面積多孔碳電極，將其用于電吸附30～500 mg∕L 的NaCl 溶液，當(dāng)施 加電壓為2.0 V 時(shí)，700 ℃下制得的ACJF-700 電極吸附容量為5.74 mg∕g，比電容最高達(dá)307 F∕g，可用于超級(jí)電容器的能量?jī)?chǔ)存。Z.MOUNIR 等〔12〕利用海棗石制備了活性炭電極，用于電吸附水溶液中的Pb2+，當(dāng)電壓為-0.13 V 時(shí)，吸附容量為17.71 mg∕g，當(dāng)電壓為0.13 V 時(shí)，電吸附容量為17.02 mg∕g，顯示了吸附的可逆性。Tie GAO 等〔13〕在1 000 ℃、H2體積分?jǐn)?shù)為4%的Ar+H2混合氣體氛中，直接碳化ZIF-8 制備了中孔碳電極，其比表面積高達(dá)723.41 m2∕g，在1 mol∕L的NaCl 溶液中最大電吸附容量為17 mg∕g，5 個(gè)循環(huán)后中孔碳電極電吸附效率沒有發(fā)生衰減，具有良好的再生性。

此外，還可以通過負(fù)載及浸漬等方法對(duì)電極進(jìn)行改性，提高其電吸附性能。H.K.KYUNG 等〔14〕通過氟化的方法將C—F 鍵引入到活性炭上，使得活性炭表面上被氟化的炭比例高達(dá)19.5%，得到一種新的電極FAC，由于C—F 鍵形成的負(fù)表面電荷的多重效應(yīng)，降低了離子的排出效應(yīng)，其比電容比原始活性炭電極高出30%左右，電吸附容量為16.5 mg∕g，比活性炭電極增加了59%。Yingzhen LI 等〔15〕將Ti（OH）4吸附劑分布在多孔活性炭上得到了一種Ti-AC 電極，將其用于吸附水溶液中的氟離子，當(dāng)施加1.2 V電壓時(shí)，電吸附容量可達(dá)115.2 mg∕g，且再生性能良好。Yang LI 等〔16〕通過碳化聚多巴胺∕納米ZnO 復(fù)合材料制備了具有分級(jí)空心納米結(jié)構(gòu)的N 鍵負(fù)載的簇狀多孔碳（NCPC）電極，其具有空腔、高比表面積、大孔體積和良好的濕潤性，電吸附試驗(yàn)表明，在1.2 V電壓下，100 mg∕L 的NaCl 溶液中，900 ℃下碳化所得電極NCPC-900 的吸附容量最高為11.98 mg∕g，且具有良好的可再生性。Lu ZHANG 等〔17〕通過簡(jiǎn)單的碳化和CO2活化從天然的蠶絲繭中制備了富氮的活性炭纖維（AN-CF）電極，其比電容為236.03 F∕g，電吸附實(shí)驗(yàn)表明，在1 000 mg∕L 的NaCl 溶液中其最大電吸附容量為16.56 mg∕g，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。Haiou SONG 等〔18〕通過高溫?cái)嚢?真空過濾干燥的方法制備了不同質(zhì)量比的活性炭∕石墨烯電極，官能團(tuán)化的石墨烯能夠充當(dāng)有效的導(dǎo)電橋，減少活性炭顆粒的聚集，從而改善了復(fù)合電極的電子傳遞；將其用于NaCl 溶液的電吸附試驗(yàn)，當(dāng)活性炭與石墨烯質(zhì)量比為5∶95 時(shí)，其復(fù)合電極電吸附容量最大，達(dá)12.58 mg∕g，在100 次再生試驗(yàn)中，未觀察到復(fù)合電極的吸附容量有明顯衰減的現(xiàn)象。Y.H.LIU 等〔19〕通過陽極電沉積技術(shù)制備了MnO2∕AC 復(fù)合電極，MnO2的負(fù)載顯著改善了活性炭電極的比電容，使復(fù)合電極具有優(yōu)異的電吸附能力，在0.01 mol∕L NaCl 溶液中，其吸附容量達(dá)9.3 mg∕g，比純活性炭電極高出1.6 倍。

2.2 石墨烯基電極

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有高比表面積、大孔隙率、低密度、非凡的導(dǎo)電性等特點(diǎn)。它在光學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能，是目前電極材料研究熱點(diǎn)之一。

Liang CHANG 等〔20〕采用表面微孔的石墨烯做電極，電極比表面積達(dá)1 025.8 m2∕g，在295 mg∕L NaCl溶液中，最大電吸附容量為9.70 mg∕g，大于普通活性炭的3.45 mg∕g。此外，他們還通過液體鉀和一氧化碳之間的放熱反應(yīng)合成了一種三維通道結(jié)構(gòu)石墨烯（CSG），CSG 具有大的比表面積（711.9 m2∕g）、獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)和氧官能團(tuán)的協(xié)同作用，在低鹽濃度下具有良好的電吸附性能〔21〕。Haibo LI 等〔22〕以肼為還原劑，采用改進(jìn)的Hummers 法制備了石墨烯納米薄片，其比表面積高達(dá)222.01 m2∕g，將其用作電容去離子電極，通過Langmuir 等溫線擬合數(shù)據(jù)，在2.0 V 下，對(duì)Na+平衡電吸附容量為73.47 μmol∕g。

通常，單獨(dú)的石墨烯做電吸附電極材料不能滿足其性能要求，可采用以下途徑提高其電吸附性能。

（1）石墨烯與納米材料復(fù)合。

A.G.EL-DEEN 等〔23〕利用微波輻射法合成了不同比例的石墨烯∕二氧化錫納米粒子復(fù)合物。SnO2納米粒子的加入增加了電極的表面積，也避免了石墨烯片的聚集，當(dāng)SnO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，電吸附效果最好，除鹽效率為83%，電吸附容量達(dá)1.49 mg∕g。

Y.WIMALASIRI等〔24〕將單壁碳納米管和氧化石墨烯納米片用化學(xué)還原的方法結(jié)合在一起，制備了碳納米管∕石墨烯復(fù)合物。單壁碳納米管夾在石墨烯之間增加了石墨烯間的距離，從而產(chǎn)生了高度多孔的結(jié)構(gòu)，增加了中孔的比例，大大提高了石墨烯作為電極的電吸附效果，在電壓為2 V 條件下，對(duì)1 mol∕L NaCl 溶液的電吸附容量為26.42 mg∕g。

M.R.VENGATESAN 等〔25〕將Ag和海泡石插入到石墨烯層中制備了一種雜化電極，海泡石可以充當(dāng)電子的受體和供體，向Ag 接受或提供電子增加復(fù)合電極的贗電容行為，從而導(dǎo)致對(duì)Cl-的快速吸附，在1.2 V 電位下，具有20.7 mg∕g 的鹽吸附容量 和87.1%的充電效率。雜化材料中的納米黏土有固有的親水性，使得電極有著良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

A.G.EL-DEEN 等〔26〕通過超聲處理-真空干燥的方法制備了不對(duì)稱功能化的超高比表面積納米多孔石墨烯基電極。通過單通模式試驗(yàn)，對(duì)所制備的電極在不同電位下的脫鹽性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在1.4 V 電位下，在300 mg∕L 的NaCl 濃液中，其電吸附容量達(dá)18.43 mg∕g，在100 個(gè)連續(xù)的吸附∕解吸過程中表現(xiàn)出了極佳的可再生性，脫鹽保留效率高達(dá)99.56%。

（2）石墨烯與多孔材料復(fù)合。

Mengjuan MI 等〔27〕利用水熱合成法制備了N 摻雜的中空介孔碳球和多孔石墨烯水凝膠的分級(jí)多孔復(fù)合物，其比表面積為337.7 m2∕g，具有高導(dǎo)電性、高親水性。在對(duì)2 500 mg∕L 的NaCl 溶液的電吸附試驗(yàn)中，最大電吸附容量為32 mg∕g，且有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

（3）石墨烯海綿。

Xingtao XU 等〔28〕采用冷凍干燥的工藝制備出了具有高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)的新型氮摻雜的石墨烯海綿，在對(duì)500 mg∕L 的NaCl 溶液的電吸附試驗(yàn)中，最大電吸附容量為21.0 mg∕g；通過對(duì)電極的表征發(fā)現(xiàn)復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)由波紋狀和滾動(dòng)的石墨烯納米片組成，而這些卷曲和皺紋可有效防止石墨烯彼此重疊。G.BHARATH 等〔29〕通過水熱法合成了一種磁鐵礦∕多孔納米石墨烯海綿，復(fù)合材料有著高電導(dǎo)率和高比表面積；對(duì)染料廢水中的重金屬離子進(jìn)行電吸附試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)Pb2+、Cu2+、Cd2+有著超高的去除率；得益于材料的多孔性和超順磁性，可以方便地通過外部磁場(chǎng)從廢水中分離染料。

綜上可知，石墨烯在CDI 應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。但由于石墨烯平面之間的強(qiáng)π-π 相互作用和范德華力，石墨烯極易團(tuán)聚，石墨烯納米片的鹽吸附能力仍遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期。因此如何防止石墨烯片的團(tuán)聚以增加其有效的比表面積是今后研究的重點(diǎn)。

2.3 碳?xì)饽z基電極

碳?xì)饽z（carbon aerogel）是一種輕質(zhì)、多孔、非晶態(tài)、塊體納米碳材料，連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可在納米尺度控制和剪裁。其孔隙率高達(dá)80%～98%，典型的孔隙尺寸小于50 nm，網(wǎng)絡(luò)膠體顆粒直徑3～20 nm，比表面積高達(dá)600～1 100 m2∕g。由于其獨(dú)特的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氣凝膠還具有最低的熱導(dǎo)率、高比表面積和可控的孔徑分布，在電極材料方面有很大的前景。

Xueping QUAN 等〔30〕以間苯二酚-甲醛有機(jī)氣凝膠為原料，采用常壓干燥法制備了碳?xì)饽z（CA）微球。微球平均孔徑為3.38 nm，比表面積為910 m2∕g，中孔率為44%，在對(duì)NaCl 溶液的電吸附試驗(yàn)中，最高吸附容量為5.62 mg∕g，且具有良好的穩(wěn)定性。Chen ZHANG 等〔31〕通過干燥的方法制備了不同微結(jié)構(gòu)的碳?xì)饽z，用于NaCl 溶液的CDI，試驗(yàn)結(jié)果表明，苯二酚和催化劑的物質(zhì)的量比為200 時(shí)所制備的碳?xì)饽z電極電吸附效果最好，在1.5 V 的電壓下，電吸附容量為25.45 mg∕g。Pei XU 等〔32〕采用碳?xì)饽z電極研究了CDI 技術(shù)處理微咸水和從水中回收碘化物的可行性，發(fā)現(xiàn)碳?xì)饽z對(duì)離子的吸附程度取決于進(jìn)水的離子濃度，其選擇性為I＞Br＞Ca＞堿度＞Mg＞Na＞Cl；碘的優(yōu)先吸附證明了碳?xì)饽z電極可以有效地從微咸水中回收碘化物。

在以碳?xì)饽z作為電極材料的研究中，往往通過摻雜的方法對(duì)碳?xì)饽z進(jìn)行改性，來改善其比表面積和孔隙率，進(jìn)而增強(qiáng)其電吸附性能。Chunmo YANG 等〔33〕制備了一種多孔碳?xì)饽z-硅膠的復(fù)合材料，在對(duì)1 000 mg∕L NaCl 溶液的電吸附試驗(yàn)中，表現(xiàn)出了良好的濕潤性和耐久性，這歸因于硅膠的添加增強(qiáng)了復(fù)合電極的庫侖力，進(jìn)而提高了電吸附效果。Yong LIU 等〔34〕將石墨烯和碳?xì)饽z結(jié)合在一起，研究了不同比例的石墨烯-碳?xì)饽z電極的電吸附性能，當(dāng)石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，復(fù)合電極的電吸附效果最好，脫鹽效率達(dá)到了98%；在再生性能試驗(yàn)中，脫鹽效率也無明顯下降。Xiaojun LIU等〔35〕通過冷凍干燥工藝制備了含氮的多級(jí)分孔的碳?xì)饽z，氮的摻雜大大地提高了碳材料的導(dǎo)電性和表面濕潤性；在500 mg∕L 的NaCl 溶液中，電吸附容量最大為17.9 mg∕g，并且該電極循環(huán)使用5 次后，吸附性能沒有明顯的衰減。R.KUMAR 等〔36〕通過溶膠-凝膠工藝?yán)糜袡C(jī)物（間二苯酚、甲醛和原硅酸四乙酯）和二氧化硅前體制備了具有超高比表面積的含硅的碳?xì)饽z材料，由于二氧化硅前體會(huì)導(dǎo)致材料孔隙率增加，從而使CDI 性能提高80%；在電壓為1.2 V，1 mol∕L 的NaCl 溶液中，碳?xì)饽z電極的吸附容量可達(dá)10.54 mg∕g；在再生試驗(yàn)中，經(jīng)過10 個(gè)吸附∕解吸循環(huán)，電極表面沒有發(fā)生氧化，具有良好的再生性。Yihan LIU 等〔37〕利用皮革廢料作為原材料使用熱解工藝制備了N、O 和S 摻雜的碳?xì)饽z電極，在電壓為1.2 V，500 mg∕L 的NaCl 溶液中的電吸附容量可達(dá)20.92 mg∕g；材料中的變形碳納米微晶及其自身的異質(zhì)摻雜可以提供不均勻的表面電荷分布，從而提高電極的電子和離子電導(dǎo)率以及水的可濕性，同時(shí)其結(jié)構(gòu)和摻雜缺陷也可以作為活性位點(diǎn)，提供了其超高的比表面積（2 523 m2∕g），從而提高了電吸附容量。Ziling CAO 等〔38〕利用溶膠-凝膠法制備了不同苯二酚與催化劑物質(zhì)的量比的碳?xì)饽z電極，通過電吸附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，苯二酚與催化劑物質(zhì)的量比為1 000 的碳?xì)饽z電極在電壓為1.2 V，100 mg∕L的CuSO4溶液中吸附效果最佳，吸附容量達(dá)29.70 mg∕g，在重金屬吸附領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

由上可知，碳?xì)饽z是一種理想的電極材料，將其他材料負(fù)載在碳?xì)饽z上，進(jìn)行改性可提高電吸附效果。不過以上研究?jī)H僅停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，并未實(shí)行工業(yè)化。其原因主要是原材料昂貴、制備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、規(guī)模化生產(chǎn)難度大，導(dǎo)致碳?xì)饽z產(chǎn)品產(chǎn)量低、成本高，市場(chǎng)難以接受，產(chǎn)業(yè)化困難。因此如何降低成本，簡(jiǎn)化制造工藝，提高生產(chǎn)效率是今后研究的重點(diǎn)。

2.4 碳納米材料電極

碳納米材料是指分散相尺度至少有一維小于100 nm 的碳材料，主要包括碳納米管、碳納米纖維和納米碳球三種類型。他們具有高電導(dǎo)率、高穩(wěn)定性、高比表面積、低密度等特性，是電極材料的熱點(diǎn)之一，在材料學(xué)、光學(xué)、力學(xué)方面有著很好的前景。

Gang WANG 等〔39〕采用聚丙烯腈為原料通過空氣氧化穩(wěn)定，并在750～900 ℃下用CO2活化制備了活性碳纖維網(wǎng)；以活性碳纖維網(wǎng)為電極研究其電吸附性能，發(fā)現(xiàn)900 ℃下制備的碳纖維電極的吸附效果最好，在電壓為1.6 V，電導(dǎo)率為195 μS∕cm 的NaCl 溶液中電吸附容量為4.64 mg∕g，可用于海水淡化。

為充分發(fā)揮碳納米材料的性能，一般采用活化預(yù)處理、摻雜改性及負(fù)載過渡族金屬氧化物等方法對(duì)碳納米材料進(jìn)行改性。Yu BAI 等〔40〕以聚丙烯腈和氧化石墨烯為原料，通過碳化、蒸汽活化的方法制備出一種氧化石墨烯-多孔碳納米纖維的新型電極；研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯的添加改善了納米纖維網(wǎng)的中孔率和導(dǎo)電性，這有利于CDI 過程中的離子傳輸；在電壓為1.2 V，450 mg∕L 的NaCl 溶液中，電極電吸附容量為13.2 mg∕g。Yanjiang LI 等〔41〕將細(xì)菌纖維素經(jīng)冷凍干燥和熱處理制備了P 摻雜的碳納米纖維氣溶膠，其具有多孔、互連、組織良好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，P 的摻雜增大了比表面積，促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移，提高了復(fù)合電極的比電容和電吸附能力；在電壓為1.2 V，1 000 mg∕L的NaCl溶液中，電吸附容量為16.20 mg∕g，遠(yuǎn)高于未摻雜P 的碳納米纖維電極（電吸附容量12.81 mg∕g），是理想的電極材料。C.Y.MA 等〔42〕利用多壁碳納米管和HNO3在高溫下合成了多壁碳納米-聚糖復(fù)合電極，具有高中孔率、良好的濕潤性和電容性能，在電壓為1.2 V 條件下，對(duì)苯胺的電吸附容量可達(dá)26.4 mg∕g。Wenbo SHI 等〔43〕采用原子層沉積技術(shù)制備了垂直排列的碳納米管，并將MnOx薄膜涂覆到碳納米管上作為CDI 電極，在1.2V電壓下，對(duì)1mol∕LNaCl溶液的電吸附容量為（490±30）μmol∕g，是原始碳納米管電極電吸附容量的2倍。Dengsong ZHANG 等〔44〕將石墨烯與碳納米管結(jié)合起來制成復(fù)合電極，長而曲折的碳納米管作為電介質(zhì)不僅可使相鄰的石墨烯互連以增加垂直方向的導(dǎo)電性，還可以抑制石墨烯的聚集，同時(shí)插層的碳納米管能夠有效地去除四氟乙烯，提高電導(dǎo)率，進(jìn)而提高電吸附性能。Yue WANG 等〔45〕通過化學(xué)氧化法制備了摻雜了十二烷基苯磺酸鈉的聚吡咯∕碳納米管復(fù)合材料，碳納米管被聚吡咯均勻包裹，比電容達(dá)106 F∕g，在對(duì)1 mol∕L NaCl 溶液的電吸附試驗(yàn)中，飽和電吸附容量為43.99 mg∕g。

碳納米材料一直是電吸附材料關(guān)注的熱點(diǎn)，從納米碳材料的結(jié)構(gòu)、表面修飾、界面效應(yīng)及分散性能等方面入手，通過對(duì)納米碳材料預(yù)處理可以設(shè)計(jì)并得到綜合性能優(yōu)異、高性價(jià)比的聚合物復(fù)合材料，未來在超級(jí)電容器電極材料中有著巨大的前景。

3 CDI 電極材料性能比較

根據(jù)4 類電極材料的特性得出，同一種電極材料采用不同的改性方法（如摻雜不同的物質(zhì)），所得到的復(fù)合電極材料的電吸附容量是不同的，這取決于摻雜的方法是否合適，摻雜后復(fù)合電極材料的比表面積、比電容是否較之前有所增加。此外，還與材料的孔隙率等性質(zhì)有關(guān)。

本綜述中選取的4 類CDI 電極材料的比表面積、比電容隨其文獻(xiàn)發(fā)表年份的變化見圖2。

圖2 研究變化趨勢(shì)Fig.2 Study the trend of change

由圖2（a）可知，CDI 電極材料的比表面積具有越來越大的趨勢(shì)，其中活性炭基電極和碳?xì)饽z電極材料的比表面積較高且逐年增加趨勢(shì)顯著，最大比表面積已高達(dá)2 644 m2∕g；石墨烯電極材料的比表面積增長相對(duì)緩慢，可能是由于石墨烯的聚集作用較難克服，影響了比表面積的增加；碳納米電極近年來發(fā)展迅速，其中納米多孔石墨烯電極的比表面積高達(dá)2 680 m2∕g。

由圖2（b）可知，CDI 電極材料的比電容近年來增長速度相對(duì)緩慢，其中活性炭基電極和碳?xì)饽z基電極的比電容有相對(duì)明顯的增長趨勢(shì)；石墨烯基電極和碳納米基電極的比電容增長上下浮動(dòng)大，可能與電極表面上的官能團(tuán)、比表面積等有關(guān)，例如N元素的摻雜的活性位點(diǎn)可以提供額外的贗電容從而導(dǎo)致復(fù)合電極的電容增加明顯，微孔結(jié)構(gòu)可以增加電極的比表面積，增強(qiáng)電解質(zhì)的滲透性能，并加速離子的轉(zhuǎn)移。

理論上說，電極材料的比表面積越大，比電容越大，但從圖2 的數(shù)據(jù)中顯示的結(jié)果并不是如此。這是因?yàn)橛绊戨姌O材料的比電容的因素不止比表面積，電極材料的制作方法、電極表面上摻雜的物質(zhì)種類等都會(huì)影響其比電容的大小。

各類CDI 電極材料的性能對(duì)比見表1。

由表1 可知，碳?xì)饽z基電極和碳納米電極雖然電吸附效果不錯(cuò)，但是由于其制作工藝復(fù)雜，制備成本高，未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化?；钚蕴炕姌O已經(jīng)有了一定的工業(yè)應(yīng)用，石墨烯電極目前處于中試階段，正逐漸向工業(yè)化發(fā)展。

表1 各類CDI 電極材料的性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of various types of CDI electrode materials

活性炭基電極相比其他3 類電極發(fā)展得較早，比表面積大、孔隙發(fā)達(dá)是它的優(yōu)點(diǎn)，但其導(dǎo)電性較差，因此往往通過摻雜、表面負(fù)載、活化等方法對(duì)其進(jìn)行改性，以此來提高電極的電化學(xué)性能。

石墨烯電極具有孔隙率高、比表面積高、導(dǎo)電性非凡的特點(diǎn)，因此常把石墨烯與活性炭結(jié)合在一起進(jìn)行改性處理，可以彌補(bǔ)活性炭作為電極導(dǎo)電性較低的缺點(diǎn)。石墨烯的不足之處在于石墨烯的聚集性會(huì)導(dǎo)致電極材料的孔隙率下降，比表面積減少，因此常常通過負(fù)載法將金屬、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物等物質(zhì)插層到石墨烯層中，來減少石墨烯的聚集，進(jìn)而提高電化學(xué)性能。例如Hualan WANG 等〔46〕采用原位聚合的方法制備了聚苯胺∕石墨烯復(fù)合材料，并把這種復(fù)合材料應(yīng)用于超級(jí)電容器中，得到了比電容為531 F∕g 的超級(jí)電容器。

碳?xì)饽z基電極再生性能好，有強(qiáng)耐腐蝕性、高比表面積的特點(diǎn)。由于原材料昂貴，制備工藝復(fù)雜，制作成本高，因此對(duì)于碳?xì)饽z基電極的研究一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

碳納米材料有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積、良好的導(dǎo)電性，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其制作方法有電弧放電法、激光蒸發(fā)法和化學(xué)氣相沉積法等，方法雖多，但是制得的碳納米材料中所含雜質(zhì)多，產(chǎn)率低，同時(shí)制作成本高，工藝復(fù)雜，這都導(dǎo)致了碳納米材料難以規(guī)?；a(chǎn)。

總之，上述4 類CDI 電極材料雖均具有廣闊的應(yīng)用前景，但是也都需要通過活化、碳化、表面負(fù)載等方法進(jìn)行改性處理，才能滿足工業(yè)需求，這大大地增加了制作成本。因此如何選擇合適的方法對(duì)電極材料進(jìn)行改性，如何選擇合適摻雜物，如何能降低制作成本是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4 結(jié)語

綜合對(duì)比活性炭基電極、石墨烯基電極、碳?xì)饽z基電極、碳納米基電極這4 類碳基電極材料可以看出，單一的電極材料的吸附效率不高，通常需要通過高溫、干燥、超聲等方法對(duì)電極材料進(jìn)行改性處理來提高電極材料的比表面積和電化學(xué)性能。目前，以活性炭為主要原料的電極材料由于發(fā)展較早，其工業(yè)應(yīng)用相對(duì)廣泛，對(duì)于其他3 類電極，仍有一些問題需要解決和探索，比如石墨烯的聚集性，碳?xì)饽z的制作成本高，碳納米材料的產(chǎn)率低、雜質(zhì)多等問題尚需要進(jìn)一步研究。隨著納米材料的發(fā)展，碳基材料與納米材料的結(jié)合也是一個(gè)新的研究方向，相信未來各類電吸附技術(shù)一定能夠逐步向工業(yè)化發(fā)展。