[發明專利]一種高效氧催化活性碳纖維電極的制備方法

在審

• 申請號: 201711405248.6
• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN109962209A
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 趙青;桑林;丁飛;劉興江;任麗彬;李勇輝
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十八研究所
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/08
• 代理公司: 天津市鼎和專利商標代理有限公司 12101
• 代理人: 李鳳

本發明涉及一種高效氧催化活性碳纖維電極的制備方法。本發明屬于電能源材料技術領域。一種高效氧催化活性碳纖維電極的制備方法，其特點是：高效氧催化活性碳纖維電極的制備方法的工藝過程為：將聚丙烯腈碳纖維扭捆成刷，以聚丙烯腈碳纖維刷作為電極，以同樣碳纖維刷作為輔助電極，在硫酸電解質溶液中，在恒定電流密度下連續進行氧化和還原交替處理，即可制得電化學改性處理的聚丙烯腈碳纖維刷電極。本發明制備得到的海水溶解氧電池碳纖維陰極具有催化活性高、電化學性能好、工藝簡單、成本低廉等優點。

技術領域

本發明屬于電能源材料技術領域，特別是涉及一種高效氧催化活性碳纖維電極的制備方法。

背景技術

碳纖維由于具有低密度、高比強度、耐高低溫、抗腐蝕、以及優異的導電和導熱性能等特點，被成為新材料之王，可以廣泛應用于航天、航空、交通、汽車、電能源等軍民各個領域。

目前商品化的挪威Kongsberg Simrad公司生產的SWB1200海水溶解氧電池，就是采用的碳纖維刷作為海水電池的正極。由于其采用的碳纖維電極未經過表面改性處理，其表面惰性較大、活性官能團少、電催化活性位點少，造成海水中溶解氧陰極還原反應電催化性能低，只能在極低電流密度下工作，不能負荷較高的電流密度，致使電池的功率密度輸出特性差，需要用大量的碳纖維材料才能滿足海水電池的功率需求，勢必增大電池的體積和重量。

為了提高碳纖維電極對海水中溶解氧的催化活性，必需對其進行表面活化改性處理。目前碳纖維材料的表面改性處理方法主要有氣相/液相氧化法、電化學氧化法、微波熱處理法、等離子體法等。其中，通過電化學表面氧化還原處理、熱處理氮摻雜等，改變碳纖維的表面原子狀態，能顯著提升碳纖維材料對氧的電催化活性。

CN203960365U公開了一種碳纖維陽極氧化表面處理裝置，該發明以碳纖維作為陽極，石墨板作為陰極，電解質為碳酸氫銨，在直流電場作用下對碳纖維表面進行處理。該發明未涉及表面處理的電解質濃度、溫度、氧化電流、處理時間等參數。此外該發明采用石墨板作為陰極輔助電極，會導致氧化時極化較大，碳纖維陽極表面處理性能不高。

CN103361768A公布了一種聚丙烯基碳纖維表面改性方法，該方法首先是將碳纖維基體在1500゜C下高溫碳化，然后在惰性氣體氛圍中進行等離子體處理，接下來再通過霧化裝置進行霧化處理。該方法工藝復雜，操作繁瑣，成本高；對設備要求較高；該方法提高了材料的層間剪切強度，不具備對氧的電催化活性。

CN103137943B公布了一種海水溶解氧用正極及采用該正極的海水溶解氧電池，該方法是采用氧化處理使碳素材料表面形成一層活性層，其中電化學氧化處理是將碳素材料置于硫酸、高氯酸和磷酸的混合水溶液中，采用恒電位控制方式進行氧化處理。該方法的電解質為三種酸的混合水溶液，比較復雜，配制起來也比較麻煩；此外該方法未涉及陽極氧化處理時所用的輔助電極。

發明內容

本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種高效氧催化活性碳纖維電極的制備方法。

本發明的目的是提供一種具有催化活性高、電化學性能好、工藝簡單、成本低廉等特點的高效氧催化活性碳纖維電極的制備方法。

本發明是采用新型輔助電極、恒定電流密度在一種酸性溶液中連續氧化還原交替處理改性制備海水溶解氧電池碳纖維電極的新型制備方法。

一種高效氧催化活性碳纖維電極的制備方法，步驟如下：

將商業化的聚丙烯腈碳纖維扭捆成刷，以聚丙烯腈碳纖維刷作為研究電極，以同樣碳纖維刷作為輔助電極，在硫酸電解質溶液中，在恒定電流密度下連續進行氧化和還原交替處理，即可得到電化學改性處理的聚丙烯腈碳纖維刷電極。得到的處理后聚丙烯腈碳纖維刷電極固定在U型水槽中，進行三電極恒流放電測試。