[發(fā)明專利]一種改性活化碳材料的方法及其應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210246399.6
• 申請(qǐng)日: 2022-03-14
• 公開（公告）號(hào): CN114772588A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張東彬;代宇;滕艾均;劉天豪;彭顯著;曾澤華;高榮榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司
• 主分類號(hào): C01B32/194
• 分類號(hào): C01B32/194;C01B32/168;D21H27/00;D06M11/38;D06M11/56;H01G11/34;H01M4/96
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 孫詩(shī)惠

本發(fā)明公開了一種改性活化碳材料的方法及其應(yīng)用，所述方法包括如下步驟：1)將堿性物質(zhì)溶于去離子水中，得到堿溶液；2)將氧化性物質(zhì)于常溫下溶解在堿溶液中，得到堿性化學(xué)氧化刻蝕液；3)將碳材料于20～80℃下浸泡到堿性化學(xué)氧化刻蝕液中1～24h，進(jìn)行改性活化處理；4)用去離子水沖洗改性活化處理后的碳材料，烘干后得到改性活化碳材料。采用本發(fā)明方法改性活化的碳材料，具有較高的比表面積和良好的親水性能，且表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，可應(yīng)用于堿金屬二次電池、超級(jí)電容器、液流電池等儲(chǔ)能器件的電極材料；此外，本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和、能耗低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于碳材料領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種改性活化碳材料的方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

碳材料由于良好的電子導(dǎo)電性和熱/機(jī)械穩(wěn)定性，被廣泛用作儲(chǔ)能器件的電極材料。然而，較低的比表面積和較差的親水性能，限制了其在水系儲(chǔ)能器件中的發(fā)展與應(yīng)用。例如，在釩液流電池領(lǐng)域應(yīng)用中，碳電極材料對(duì)電解液的潤(rùn)濕性能的好壞，直接關(guān)系著電極材料表面釩離子氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而影響其儲(chǔ)能性能。因此，對(duì)碳材料進(jìn)行表面改性和活化是十分必要的。目前，對(duì)碳基電極材料進(jìn)行活化和改性，主要通過(guò)以下幾種方法：1)高溫?zé)崽幚矸ǎ褐饕菍⑻疾牧显诟邷貤l件下進(jìn)行活化處理，增加碳材料表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量，如中國(guó)專利CN109987604A在600～800℃對(duì)碳材料進(jìn)行1～4h的活化處理；2)強(qiáng)氧化性酸處理：在水熱/溶劑熱等高溫條件下，利用強(qiáng)氧化性酸液引入含氧基團(tuán)，提升碳材料親水性能，如中國(guó)專利CN104018340A利用硝酸溶液對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性；3)離子濺射法(plasm)：在真空條件下，利用等離子束轟擊碳材料表面，進(jìn)而引入缺陷；4)電化學(xué)活化法。然而現(xiàn)有方法，其存在反應(yīng)條件苛刻、設(shè)備要求嚴(yán)格、改性和活化效率較低等問(wèn)題。因此，急需開發(fā)一種反應(yīng)條件溫和、簡(jiǎn)單方便、可操作性強(qiáng)的碳材料表面改性和活化的新方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種改性活化碳材料的方法及其應(yīng)用，利用堿性化學(xué)氧化刻蝕液對(duì)碳材料進(jìn)行改性活化處理，改性活化處理后的碳材料具有較高的比表面積和良好的親水性能，且表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能；此外，本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和、能耗低。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供了一種改性活化碳材料的方法，包括如下步驟：

1)將堿性物質(zhì)溶于去離子水中，得到堿溶液；

2)將氧化性物質(zhì)于常溫下溶解在堿溶液中，配制得到堿性化學(xué)氧化刻蝕液；

3)將碳材料于20～80℃浸泡到堿性化學(xué)氧化刻蝕液中1～24h，進(jìn)行改性活化處理；

4)用去離子水沖洗改性活化處理后的碳材料，烘干后得到改性活化碳材料。

在一些實(shí)施例中，堿性物質(zhì)為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水中的一種或兩種以上的組合。

在一些實(shí)施例中，堿溶液的濃度為10～100g/L。

在一些實(shí)施例中，氧化性物質(zhì)為過(guò)硫酸鈉、過(guò)硫酸鉀、過(guò)硫酸銨、溴酸鉀、氯酸鉀、高氯酸鉀、高錳酸鉀、雙氧水中的一種或兩種以上的組合。

在一些實(shí)施例中，氧化性物質(zhì)的濃度為10～50g/L。

在一些實(shí)施例中，堿性化學(xué)氧化刻蝕液中堿性物質(zhì)與氧化性物質(zhì)的質(zhì)量濃度之比為1:1～5:1，優(yōu)選為3:1～4:1。

在一些實(shí)施例中，碳材料為石墨氈、碳纖維紙、碳布、碳管、石墨烯、碳黑中的一種或其復(fù)合物。

在一些實(shí)施例中，步驟3)中浸泡的溫度為60℃，浸泡的時(shí)間為6h。