电容去离子(Capacitive deionization, CDI)又称电吸附,它具有脱盐效率高、低能耗、环境友好等优点,是近几十年随着碳材料科学的发展而日益广受重视的新型脱盐技术。进入二十一世纪,伴随着世界人口和全球工业化进程的快速增长,能源与环境问题日益突出,特别是全球的淡水资源危机,已经刻不容缓。传统的脱盐技术,如反渗透、电渗析和离子交换,由于其本身不可忽视的高能耗及低效率等问题,已经不能满足人类集约型社会发展的要求。CDI技术的出现弥补了传统脱盐技术的缺陷,使低能耗,高效率的脱盐技术有了现实的可能性。所以,大力深入开展基于新型碳材料电极的CDI技术的基础理论和实际应用研究,不仅有重要的科学价值,更重要的是在人类社会发展中有着可预见的广阔应用前景和现实意义。本论文主要创新点是利用氧化还原法制备石墨烯和石墨烯纳米片(Graphene nanoflakes, GNFs)及其复合物,并将之作为电极,系统地研究了它们的CDI性能。此外,在基于CDI技术的基础上提出了一种新型的膜电容去离子技术(Membrane capacitive deionization, MCDI)并系统研究了该器件的脱盐性能。本论文的主要研究内容详述如下：1.采用氧化还原法制备了石墨烯和GNFs。研究了石墨烯和GNFs的形貌、微结构、电化学特性以及石墨烯和GNFs电极的CDI性能。研究表明石墨烯电极的电吸附方式满足弗伦德里希等温吸附方程而GNFs电极的电吸附方式满足朗谬尔等温吸附方程,同时,两者的电吸附过程都满足准一阶动力学吸附方程。此外,从吸附动力学角度对比研究了GNFs与活性碳(AC)、双壁碳纳米管(DWCNTs)和单壁纳米管(SWCNTs)的CDI特性,提出了一种离子在GNFs电极中的传输机制,阐述了GNFs在CDI技术中的应用潜力。2.采用化学法制备了GNFs与AC的复合物并运用于CDI技术研究。研究发现,当GNFs在复合物电极中的含量为20%时,该复合电极具有最佳的电化学和CDI特性。研究还发现该复合物电极的CDI性能要好于纯GNFs及纯AC电极。此外,通过研究动力学吸附参数和电荷效率后提出了一种离子在该复合物电极中的传输机制。在该电极中,石墨烯的引入有利于在复合物中形成一种柔性导电网络,这种导电网络提供了一种“面对点”的导电结构,增加了电吸附容量。最后,研究了该复合物电极的电吸附-脱附过程,发现该复合物电极具有较好的可再生性能。3.提出了一种改进型CDI技术：即MCDI。研究发现在任意溶液浓度情况下,MCDI的脱盐效率与工作电压成正比并高于相应的CDI器件。通过使用准一阶吸附动力学方程对吸附结果进行模拟,证明了离子交换膜的引入有利于加速离子在溶液中向电极的传输速率。进一步研究表明MCDI的电吸附方式满足朗谬尔等温吸附曲线,说明离子在MCDI电极上的吸附属于单层吸附,还说明离子交换膜的引入并没有改变CDI电极的工作方式。此外,通过计算MCDI的电荷效率并与CDI电极进行比较说明离子交换膜的引入可以有效地抑制共离子效应的产生。最后,研究了MCDI电极的电吸附-脱附过程,发现MCDI具有较好的可再生性能。