[發明專利]一種石墨烯儲氫電極的制備方法

無效

• 申請號: 201210093707.2
• 申請日: 2012-03-31
• 公開（公告）號: CN102623668A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 董星龍;黃昊;郭廣菲;薛方紅;全燮
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術及應用領域。是一種以石墨烯作為儲氫材料制備電化學電極的方法，特別是采用物理氣相法合成石墨烯粉體材料。

背景技術

能源是人類社會賴以生存和發展的基礎。近年來，由于石油、煤等不可再生化石能源儲存量不斷減少，環境污染越來越嚴重，引起能源短缺、溫室效應等負面影響，使得太陽能、核能、風能、地熱能、海洋能、氫能等新能源的開發和利用越來越受到重視。氫能的利用包括生產、儲運、應用三個方面，因為氫在常態下是氣體，因此氫的儲存和運輸是氫能源應用的關鍵。儲氫材料的發現和應用為氫能利用提供了最為現實的條件。目前儲氫材料主要有：金屬氫化物、儲氫合金及碳材料等。金屬氫化物及儲氫合金，作為儲氫材料有著難以克服的缺陷，即儲放氫所需條件苛刻、質量重、穩定性差及價格昂貴等。碳基材料以其優異的導電性、質量輕、高化學穩定性、以及結構可控等特點，使其更加適合于氫氣的儲存和運輸。

2004年由英國曼切斯特大學的Geim小組成功制備石墨烯后，在全世界范圍內引起了研究熱潮。石墨烯是一種真正的表面性固體，理想的單層石墨烯具有超大比表面積(2630m³/g)，同時還具有良好的導電性和導熱性，是很有潛力的儲能材料。P.Martin的理論研究表明具有多層和較大片層間距的石墨烯結構更加有利于儲氫。C.Ataca等也在理論上得出由Li原子包覆的石墨烯結構可作為高效儲氫介質的結論，其儲氫理論容量可達12.8wt.％。G.K.Dimitrakakis利用石墨烯和碳納米管設計了一個三維儲氫模型，如果這種材料中摻入鋰離子，其在常壓下儲氫能力可以達到41g/L。G.Srinivas等利用還原氧化石墨的方法制備得到石墨烯，與其它碳納米材料(單壁和多壁碳納米管、納米碳纖維等)相比較，這種石墨烯的儲氫性能具有優勢。K.S.Subrahmanyam等研究了石墨烯的化學儲氫性能，利用伯奇還原法可以在多層石墨烯中加入高達5wt.％的氫。納米貯氫材料的研究正在向脫/加氫性能優異、成本低且能大批量生產的方向深入發展。

目前制備石墨烯的主要方法有機械裂解法、氧化石墨熱解還原法、化學氣相沉積法、碳納米管裂解法、直流電弧法等。直流電弧法是制備碳納米材料(富勒烯、碳納米管等)的一種傳統方法，該方法具有操作簡單，容易控制，生長快速等特點。制得的石墨烯片層規則，結晶性好，結構穩定，有望獲得較高的導電性和較好的電化學性能。本發明利用直流電弧法制備的到石墨烯儲氫材料，工藝簡單，產物純度高，且可以規模化量產。利用該類石墨烯材料制備電極，表現出優異的電化學儲氫性能。

中國授權專利：自動控制直流電弧金屬納米粉生產設備(ZL200410021190.1)，其設備由依次連接的粉體生成室、粉體粒度分級室、粉體捕集室、粉體處理室、抽真空系統、氣體循環泵、液壓傳動系統、水冷系統、編程控制系統構成；粉體生成室中安裝陽極和陰極，并穿過粉體生成室壁與外部液壓傳動和編程控制系統連接；粉體粒度分級室為雙壁水冷外殼與液氮冷卻罐構成；液壓傳動系統由控制陰極維移動和陽極維移動的液壓罐和傳動桿構成。該設備將物料裝入陽極并成為陽極的一部分，與陰極形成10～30mm的間隙，整體設備抽真空，通冷卻水。通入活性氣體和冷凝氣體后，啟動起弧器和電源，在陰、陽電極間形成電弧，物料開始蒸發并形成納米粉體顆粒。該設備可以實現石墨烯的大量生產。

綜上所說，利用自動控制直流電弧金屬納米粉生產設備制備石墨烯材料具有工藝簡單、宏量制備以及利于工業化生產等優點。以制備的石墨烯作為電化學儲氫材料可以獲得高比容量、高循環壽命等優異性能。

發明內容

本發明提供了一種石墨烯儲氫電極的制備方法，是一種采用直流電弧法合成的石墨烯材料的方法。

本發明的技術解決方案具體操作步驟如下：

(1)利用自動控制直流電弧氫等離子體設備，以石墨塊體作為陽極，陰極為碳棒，兩極間距至10～30mm，通入0.01～0.07MPa的氫氣，經過蒸發、冷凝、鈍化等步驟，制備得到石墨烯材料。

(2)利用步驟(1)制備的石墨烯材料作為活性物質與粘結劑PVDF(聚偏氟乙烯)以質量比1∶1～7∶1混合后，最佳比為4∶1，以涂壓的方式制作電極片。該電極片在電化學儲氫測試的三電極體系中作為工作電極。Ni(OH)₂/NiOOH電極作為輔助電極，甘汞電極作為參比電極。電解液為6mol/L的飽和KOH溶液。組成模擬電池后對其進行電化學性能的測試。

本發明的優點是：