[發(fā)明專利]一種氧化摻氮碳納米管陣列簇/柔性碳纖維材料一體化電極的制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011162307.3
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112421055B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李瑜;劉世斌;郭倩;段東紅;王俊文;王昆磊;徐守冬;郝曉剛
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/96;H01M12/08;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

1.一種氧化摻氮碳納米管陣列簇/柔性碳纖維材料一體化電極的制備方法，其特征在于：在柔性碳纖維材料的一側(cè)表面填充含有熱催化氣相沉積催化劑前驅(qū)體材料為基底，在所述的基底上沉積高分布密度的摻氮碳納米管陣列簇，然后進(jìn)一步高溫?zé)崽幚淼玫窖趸瘬降技{米管陣列簇/柔性碳纖維材料；在氧化摻氮碳納米管陣列簇表面形成了均勻的羥基、羰基、羧基和吡啶酮基的大量含氧官能團(tuán)；

所述制備方法如下：

（1）柔性碳纖維基底的預(yù)處理

柔性碳纖維材料表面處理：首先將柔性碳纖維材料剪裁成長×寬為1~10 cm×1~10 cm的長方形或正方形后，浸沒于乙醇或異丙醇溶劑中，超聲清洗10~200 min，超聲頻率10~100Hz，然后在60~120 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥，再用小刀輕輕去除柔性碳纖維材料一側(cè)的毛刺，備用；

柔性碳纖維材料表面填充：用含催化劑前驅(qū)體無機(jī)鹽的懸浮液對柔性碳纖維材料表面的孔隙進(jìn)行填充，不僅使基底形成平整的平面結(jié)構(gòu)，而且將催化劑前驅(qū)體無機(jī)鹽預(yù)置，使生長的摻氮碳納米管陣列簇均勻緊密，序列性好；在反應(yīng)容器內(nèi)加入親水性導(dǎo)電炭材料、催化劑前驅(qū)體無機(jī)鹽和硅溶膠水溶液，三者按其質(zhì)量比為1:50~100:100~200的比例混合，在室溫條件下機(jī)械攪拌10~36 h，制成穩(wěn)定懸浮液；用一次性滴管將懸浮液滴于表面處理后的柔性碳纖維材料表面，并用玻璃棒鋪設(shè)均勻，最后用刀片輕輕除去柔性碳纖維材料表面多余的懸浮液并將其放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，恒溫烘干后取出，再按照上述涂抹方式進(jìn)行填充，重復(fù)此過程2~15次，則完成柔性碳纖維材料表面的填充；

柔性碳纖維材料基底的氧化：氧化產(chǎn)物為金屬氧化物，易在高溫下還原，產(chǎn)生納米金屬顆粒，從而進(jìn)行摻氮碳納米管陣列簇的頂端生長；在反應(yīng)器恒溫區(qū)域中放入表面填充的柔性碳纖維材料，在空氣氣氛下，以1~10 ℃·min^-1的升溫速率加熱至氧化溫度100~500 ℃，進(jìn)行恒溫煅燒1~10 h，再以1~5 ℃·min^-1的降溫速率降至室溫，則表面填充后的柔性碳纖維材料基底的氧化完成；

（2）前驅(qū)體反應(yīng)溶液的配制

以液態(tài)含芳香烴或烷烴有機(jī)物為碳源前驅(qū)體，以液態(tài)或固態(tài)含氮有機(jī)物為氮源前驅(qū)體，以固態(tài)含過渡金屬有機(jī)化合物為催化劑補(bǔ)給體；其中金屬離子在前驅(qū)體反應(yīng)溶液中的濃度為0.01~0.5 g·mL^-1，碳氮原子比為10~100:1，混合完成后，將三者的混合物超聲震蕩10~50 min、超聲頻率50~100 Hz，使催化劑補(bǔ)給體完全溶解到溶劑中，獲得混合的前驅(qū)體反應(yīng)溶液后備用；

（3）摻氮碳納米管陣列簇/柔性碳纖維材料的制備

首先將經(jīng)過預(yù)處理的柔性碳纖維材料基底置于反應(yīng)器的恒溫區(qū)域，以1~10 ℃·min^-1的恒定升溫速率加熱至100~500 ℃并保持3~10 h，期間通入還原氣體氫氣100~300 mL·min^-1，將柔性碳纖維材料表面的金屬氧化物熱解并還原，形成納米金屬顆粒；繼續(xù)以恒定升溫速率加熱，當(dāng)溫度達(dá)到600~1000 ℃時，通入氬氣、氮?dú)饣蚝庵械囊环N與氫氣按體積比為1~20:1的混合氣為載氣，用微量注射泵將前驅(qū)體反應(yīng)溶液以0.01~2 mL·min^-1的速率注射入反應(yīng)器中，注射10~100 min后停止，關(guān)閉還原氣體氫氣并關(guān)小惰性氣體流量使其能夠保持惰性氛圍，再以1~6 ℃·min^-1的恒定降溫速率降至室溫，則摻氮碳納米管陣列簇/柔性碳纖維材料制備完成；

（4）氧化摻氮碳納米管陣列簇/柔性碳纖維材料一體化電極的制備：氧化摻氮碳納米管陣列簇的方法包括氣相氧化法或液相氧化法；

氣相氧化法制備氧化摻氮碳納米管陣列簇：首先將反應(yīng)器在空氣氣氛下以1~10 ℃·min^-1的速率升溫至380~440 ℃，再將摻氮碳納米管陣列簇置于反應(yīng)器的恒溫區(qū)內(nèi)，并保持10~120 min，再以1~6 ℃·min^-1的速率降至室溫，得到氧化摻氮碳納米管陣列簇/柔性碳纖維材料一體化電極；

液相氧化法制備氧化摻氮碳納米管陣列簇：將0.1~2 g摻氮碳納米管陣列簇，50~200ml的濃硫酸放入反應(yīng)容器中，超聲50~200 min、超聲頻率60~100 Hz，然后將其放置于50~100 ℃恒溫油浴鍋中，機(jī)械攪拌8~24 h；之后進(jìn)行抽濾、洗滌，在恒溫真空條件下干燥12~48h至恒重，得到氧化摻氮碳納米管陣列簇/柔性碳纖維材料一體化電極。