[發明專利]氮修飾石墨氈電極的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202310075673.2
• 申請日: 2023-01-16
• 公開（公告）號: CN115954486A
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 孟津紅;黃若云;秦紹利;李光雷
• 申請（專利權）人: 北京陽光鴻志電氣工程技術有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/96;H01M8/18
• 代理公司: 北京可專樂知識產權代理事務所(普通合伙) 11787
• 代理人: 王文紅

本發明提供一種氮修飾石墨氈電極的制備方法，包括：步驟一，采用水羥基技術對石墨氈進行處理，將經過處理的石墨氈烘干；步驟二，將烘干后的石墨氈置于電阻爐中，進行氮修飾活化，所述電阻爐連接有通入空氣的管路，所述管路連接有起泡器，所述起泡器內裝有含氮水溶液，將所述電阻爐升溫至320℃～380℃；用壓縮空氣通過起泡器將所述含氮水溶液以氣態的形式帶入所述電阻爐進行氮修飾活化；步驟三，經氮修飾活化后的石墨氈，浸泡去離子水中，同時使用超聲波清洗機進行清洗，處理完畢，烘干，得到氮修飾的石墨氈電極。采用本發明制備方法制備的電極材料，由于在碳纖維表面引入了氮元素表面修飾，增加活性位點，提高了電極的電化學活性。

技術領域

本發明屬于儲能技術領域，具體涉及一種液流電池的電極材料制備方法。

背景技術

液流電池作為一種新型的電化學儲能系統，具有高效、安全和環保等優點，作為可再生能源規模化發電儲能、電網調峰等應用，一直是近年來電池研究的熱點。全釩液流電池是目前技術上最為成熟的液流電池，是迄今為止唯一在風能發電調幅、調頻和平滑輸出并網應用的液流電池，目前已經進入大規模商業示范運行和市場開拓階段。

電極是影響液流電池性能的關鍵材料之一。碳素類電極由于穩定性高、導電性好、價格低廉等特點，成為液流電池中研究最廣泛的電極材料。常用的碳素類電極包括碳氈/石墨氈(carbon/graphite?felt)、碳布(carbon?cloth)和碳紙(carbon?paper)等。碳氈/聚丙烯腈基(PAN)石墨氈因其導電性好、穩定性強、機械性能好、具備三維空隙結構等優點而廣泛用作電極材料。但由于這類材料的石墨化程度較高，引起了親水性較差、比表面積小、電化學活性不高等問題，需要對其進行適當的改性來提高它的整體性能。石墨氈的改性方法主要包括金屬化處理和氧化處理。

金屬化處理是采用離子交換和滲透的方法將金屬離子修飾在石墨氈電極表面上。研究發現，用Mn²⁺、Te⁴⁺、In³⁺和Ir³⁺等修飾的石墨氈電極表現出良好的電化學催化活性，其中Ir³⁺修飾的電極表現出最好的電化學活性；但用Pt⁴⁺、Pd²⁺和Au⁴⁺進行金屬化處理時，電極的析氫電位明顯降低，電極反應容易析出氫氣。雖然經金屬化處理的石墨氈表現出較好的電化學催化活性，但也使電極的制備工藝變得復雜，同時由于使用貴金屬造成電極的成本偏高，故而并不適合大規模應用。

氧化處理方法包括空氣、氧氣或臭氧的氣相氧化，濃硫酸、濃硝酸、高錳酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫或過硫酸鉀的液相氧化，以及電化學氧化方法等。當石墨纖維中石墨微晶的邊緣和表面缺陷處碳原子的不成對電子暴露在熱空氣或酸中時，會被氧化生產C-OH和C＝O等含氧官能團，起到催化釩離子的氧化還原反應的作用。近些年，隨著對碳材料研究的深入，人們發現在碳材料體相中引入氮、硫和磷等，可以改善碳材料的電化學性能、機械性能。而在碳材料表面引入氧、氮、硫以及磷等摻雜原子，可以顯著增加碳材料表面活性，使其在電子傳輸流量和反應介質的吸附過程等方面都表現出更好的性能。

常規熱處理方法，不能提高碳氈或石墨氈的親水性；濃硫酸或過氧化氫氧化處理采用的處理劑為濃硫酸或過氧化氫，安全性差，不適宜大規模制備；高錳酸鉀、次氯酸鈉等氧化法，對環境會造成污染，產生大量的廢水。

發明內容

針對現有技術存在的不足之處，本發明的目的是提出一種氮修飾石墨氈電極的制備方法，以及所述制備方法的應用。

實現本發明上述目的的技術方案為：

一種氮修飾石墨氈電極的制備方法，包括操作：

(1)步驟一，采用水羥基設備對石墨氈進行處理，將經過處理的石墨氈烘干；

(2)步驟二，將烘干后的石墨氈置于電阻爐中，進行氮修飾活化；