[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(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011162307.3
• 申請(qǐng)日: 2020-10-27
• 公開（公告）號(hào): CN112421055B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): 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

本發(fā)明公開了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。本發(fā)明以表面填充處理的柔性碳纖維材料為基底，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在柔性碳纖維材料一側(cè)表面可控制備了摻氮碳納米管陣列簇，再通過表面氧化功能化處理，在摻氮碳納米管陣列簇表面形成了均勻分布的羥基、羰基和羧基等大量含氧官能團(tuán)，并作為具有雙向催化功能三維平行孔道結(jié)構(gòu)的一體化復(fù)合電極。該一體化電極材料具有高的電導(dǎo)率、優(yōu)異的傳質(zhì)和傳荷能力，同時(shí)可促進(jìn)反應(yīng)物O₂還原和產(chǎn)物L(fēng)i₂O₂可逆分解的反應(yīng)速率，提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。該一體化電極材料在金屬?空氣電池、質(zhì)子交換膜氫燃料電池及直接甲醇燃料電池等電極材料中有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及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，屬于電極材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

盡管鋰離子電池發(fā)展成熟并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，然而當(dāng)前最先進(jìn)鋰離子電池的能量密度僅為260 Wh·kg^-1，嵌入式鋰離子電池能量密度已經(jīng)接近理論極限值，很難滿足未來(lái)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。近年來(lái)鋰空氣電池的研發(fā)備受關(guān)注，主要是由于它的理論能量密度高(11140 Wh·kg^-1，是鋰離子電池的20~40倍)、電池質(zhì)量輕、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等一系列優(yōu)勢(shì)，在新能源電池領(lǐng)域中逐漸嶄露頭角，被認(rèn)為是理想的混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車高能清潔型電源。因此，一直以來(lái)，開發(fā)高性能鋰空氣電池正極材料都是該領(lǐng)域的重要研究課題。

碳基電極材料由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，質(zhì)量輕且易于改性等優(yōu)點(diǎn)，在鋰空氣電池中具有廣泛的應(yīng)用。特別是，碳納米管材料具有獨(dú)特的管狀石墨層結(jié)構(gòu)，大的比表面積、優(yōu)良的機(jī)械性能等能夠?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)的進(jìn)行提供足夠的場(chǎng)所。然而，碳納米管材料具有完整的石墨結(jié)構(gòu)，表面光滑且惰性高，即在碳管壁上缺陷位點(diǎn)（活性位點(diǎn)）相對(duì)較少，在一定程度上限制了碳納米管材料的實(shí)際應(yīng)用。因此，通過對(duì)碳納米管材料表面功能化改性，可以增大其表面缺陷和穩(wěn)定性，同時(shí)促進(jìn)電子、電荷和反應(yīng)物的定向轉(zhuǎn)移，從而有利于碳納米管材料的廣泛利用[王開學(xué).一種用于鋰空氣電池正極的多壁碳納米管制備方法[P]. No.201510016479]。研究發(fā)現(xiàn)，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)將氮原子摻雜到碳納米管材料上并形成了含氮官能團(tuán)，這些含氮官能團(tuán)改變了碳納米管材料的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了碳原子對(duì)電子的吸附能力，改善了其親氧性，降低氧氣分離的解離能壘，促進(jìn)氧氣在碳納米管表面的分解，從而改善了電池氧還原性能，但對(duì)于氧負(fù)離子電氧化的效果并不明顯，表現(xiàn)為充電電壓過高，電池循環(huán)性能較差[劉颯. 一種氮摻雜碳納米管氧還原電催化劑及其制備方法[P].No. 2019103189018]。通過進(jìn)一步研究表明，利用表面功能化處理法例如高溫純化摻氮碳納米管陣列的同時(shí)引入豐富的羥基、羰基和羧基等含氧官能團(tuán)，提高正極材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并造成表面缺陷，增大比表面積和氧空穴，以化學(xué)鍵引入含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)，兩者協(xié)同作用可改善電極材料氧電還原和氧負(fù)離子電氧化的雙向催化活性，從而提高正極材料的穩(wěn)定性和催化活性，保證電池充放電循環(huán)性能的改善[Chen C, Xu G, Wei X, et al.A macroscopic three-dimensional tetrapod-separated graphene-like oxygenatedN-doped carbon nanosheet architecture for use in supercapacitors[J]. J.Mater. Chem. A, 2016, 4: 9900-9909.]。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供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其在鋰空氣電極方面的應(yīng)用。用該材料制成的一體化電極材料具有氧電還原和氧負(fù)離子電氧化的雙向催化活性。

本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在預(yù)處理的柔性碳纖維材料表面垂直生長(zhǎng)摻氮碳納米管陣列簇，利用表面功能化處理法對(duì)摻氮碳納米管陣列進(jìn)行氧化，改善電極材料氧電還原和氧負(fù)離子電氧化的雙向催化活性，提升鋰空氣電池充放電循環(huán)性能。