一种煤基石墨烯纤维光电极的制备方法及其在低浓度瓦斯光电转化中的应用技术

本发明专利技术公开了一种煤基石墨烯纤维光电极的制备方法及其在低浓度瓦斯光电转化中的应用。本发明专利技术以煤基氧化石墨烯和煤基氧化石墨烯/TiO2水分散液为纺丝液，湿纺技术制备煤基石墨烯和煤基石墨烯/氢化TiO2纤维；将经过氧等离子刻蚀的煤基石墨烯/氢化TiO2纤维顺序紧密缠绕在浸涂凝胶电解质的煤基石墨烯纤维上，构建可用于低浓度瓦斯光电转化的全固态煤基石墨烯纤维光电极。本发明专利技术采用氧等离子刻蚀方法处理煤基石墨烯/氢化TiO2纤维，不仅使氢化TiO2纳米粒嵌入在纤维表面，而且使得纤维表面嵌入的氢化TiO2纳米粒部分裸露出来，提高了氢化TiO2与纤维的结合牢固性和纤维光电极的光电转化性能。本发明专利技术制备简单，成本低；光电极具有良好的柔韧性、导电性、可见光活性，易于编织和放大化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于瓦斯高效利用领域，具体涉及一种煤基石墨烯纤维光电极的制备方法及其在低浓度瓦斯光电转化中的应用。
技术介绍
煤矿瓦斯（又称煤层气）是一种与煤炭伴生的以甲烷为主要成分的气体，每年因采煤向大气中排放总量高达 190亿m3，相当于20000多万吨标煤。瓦斯气体是一种优质的能源和化工资源，可以作为化工原料、民用和工业燃料。目前，煤层气开采和瓦斯治理抽采利用的甲烷仅占煤层中瓦斯总量的10%～20%，其余大量甲烷（80%以上）在煤炭开采时解析出来，由矿井大型风机抽出，排放到大气中。既造成了优质能源的浪费，又污染了环境，其单位体积的温室效应是CO2的21倍，对臭氧的破坏能力是CO2的7倍。因此，高效经济地将煤矿回风流排放的瓦斯有效利用，既可提高煤矿安全、减少温室气体排放，同时又可替代一部分煤炭和天然气，增加优质能源资源供应，实现能源综合利用，有助于解决我国能源结构不合理、能源短缺等难题。甲烷气体浓度一般在15%以上才有利用价值，然而矿井乏风中的甲烷浓度一般为0.6～1%，属低或超低浓度，因而难以直接利用。研究发现碳材料对甲烷具有强吸附能力，活性炭、碳分子、碳纳米管、石墨烯等已用于甲烷吸附及瓦斯提纯。然而物理吸附方法提纯瓦斯存在一些弊端，诸如效率低、选择性差、炭孔径要求高（1～2 nm）等，因而难以实现低浓度瓦斯高效提纯。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题提供一种用于低浓度瓦斯光电转化的煤基石墨烯纤维光电极，为矿井低浓度瓦斯的直接高效清洁利用开辟了一条新的途径。一种煤基石墨烯纤维光电极，以经过氧等离子刻蚀的煤基石墨烯/氢化TiO2纤维为外电极，以浸涂凝胶电解质的煤基石墨烯纤维为内电极，将外电极顺序紧密缠绕在内电极上，即构建成所述的可用于低浓度瓦斯光电转化的全固态煤基石墨烯纤维光电极。一种煤基石墨烯纤维光电极的制备方法，包括如下步骤：步骤1、以无烟煤为碳源，采用 Hummers 法制备煤基氧化石墨烯，然后将煤基氧化石墨烯配制成10～20mg/mL的纺丝液；步骤2、采用直径为Ø0.5～0.9mm注射针头将纺丝液注入到凝固浴中，静置10～30min后，取出并自然干燥得到煤基氧化石墨烯纤维；步骤3、将步骤2制得的煤基氧化石墨烯纤维置于35～45% HI溶液中，60～90℃下还原6～12h，得到煤基石墨烯纤维；步骤4、将步骤3制得的煤基石墨烯纤维浸涂凝胶电解质，得到凝胶电解质包裹的纤维状电极；步骤5、将TiO2纳米粒加入到步骤1制备的纺丝液中，搅拌得到分散均匀的煤基氧化石墨烯/TiO2纳米粒纺丝液，湿纺制备煤基氧化石墨烯/TiO2纤维；步骤6、将步骤5制得的煤基氧化石墨烯/TiO2纤维在H2/Ar气氛下进行热处理，得到煤基石墨烯/氢化TiO2纤维；步骤7、将煤基石墨烯/氢化TiO2纤维两端固定后，采用氧等离子体处理器对煤基石墨烯/氢化TiO2纤维进行刻蚀；步骤8、将步骤7制得的煤基石墨烯/氢化TiO2纤维顺序紧密缠绕在步骤4制得的煤基石墨烯纤维上，即构建成所述的可用于低浓度瓦斯光电转化的煤基石墨烯纤维光电极。进一步，所述的步骤2中的凝固浴为：含有1～5 wt% CaCl2的乙醇/水溶液，其中乙醇/水溶液为按1:1的体积比将乙醇和水均匀混合制得。进一步，所述的步骤4中凝胶电解质为聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质，其包含1份的聚乙烯醇，9份水和1份磷酸。进一步，所述的步骤5中的煤基氧化石墨烯/TiO2纳米粒纺丝液中TiO2纳米粒质量分数为0～60%，其质量分数为TiO2纳米颗粒占纺丝液固含量的质量分数。进一步，所述的步骤6中的 H2/Ar气氛中热处理方法为：H2(5～20%)/Ar气氛中250～450℃下加热3～6h。进一步，所述的步骤7中的刻蚀条件为：氧气体流量400ml/min，工作功率为400W，刻蚀时间为1～7 min。一种煤基石墨烯纤维光电极在低浓度瓦斯光电转化中的应用。本专利技术的有益效果：1. 煤基石墨烯纤维光电极的同轴结构具有较高接触面积，有利于电子的快速传递和转移，进而提高纤维光电极的光电转化性能。2. 本专利技术制备煤基石墨烯/氢化TiO2纤维，氢化TiO2具有较高的可见光活性及导电性，有利于增强煤基石墨烯纤维光电极的光电转化性能。3. 本专利技术采用氧等离子刻蚀方法处理煤基石墨烯/氢化TiO2纤维，不仅使氢化TiO2纳米粒嵌入在纤维表面，而且使得纤维表面嵌入的氢化TiO2纳米粒部分裸露出来，提高了氢化TiO2与纤维的结合牢固性和纤维光电极的光电转化性能。4. 煤基石墨烯对瓦斯吸附能力强，有利于煤基石墨烯纤维光电极对瓦斯的光催化降解及光电转化。5. 煤基石墨烯纤维光电极制备方法简单、成本低，柔韧性好、可编织、易于放大化。附图说明图1是煤基石墨烯纤维光电极实物图。图2是卷曲在聚四氟乙烯棒上的煤基石墨烯纤维光电极。图3是瓦斯在煤基石墨烯纤维光电极上的光电响应。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，以下结合实施例对本专利技术作进一步说明：实施例1：一种煤基石墨烯纤维光电极的制备方法，包括如下步骤：步骤1、以无烟煤为碳源，采用Hummers 法制备煤基氧化石墨烯，然后将煤基氧化石墨烯配制成15mg/mL的纺丝液；步骤2、采用直径为Ø0.7mm注射针头将纺丝液注入到含有3wt% CaCl2的乙醇/水(1:1 v/v)凝固浴中，静置20min后，取出并自然干燥得到煤基氧化石墨烯纤维；步骤3、将步骤2制得的煤基氧化石墨烯纤维置于40%HI溶液中，80℃下还原9h，得到煤基石墨烯纤维；步骤4、将步骤3制得的煤基石墨烯纤维浸涂聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质，得到凝胶电解质包裹的纤维状电极；步骤5、按TiO2为50%的质量分数加入到步骤1制备的纺丝液中，搅拌得到分散均匀的煤基氧化石墨烯/TiO2纳米粒纺丝液，湿纺制备煤基氧化石墨烯/TiO2纤维；步骤6、将步骤5制得的煤基氧化石墨烯/TiO2纤维在H2(10%)/Ar气氛中300℃下加热4h，得到煤基石墨烯/氢化TiO2纤维；步骤7、将煤基石墨烯/氢化TiO2复合纤维两端固定后，采用氧等离子体处理器在氧气体流量 400ml/min、工作功率为400W的条件下刻蚀煤基石墨烯/氢化TiO2纤维5 min；步骤8、将步骤7制得的煤基石墨烯/氢化TiO2纤维顺序紧密缠绕在步骤4制得的煤基石墨烯纤维上，即构建成所述的可用于低浓度瓦斯光电转化的煤基石墨烯纤维光电极。应用例1、将制备的煤基石墨烯纤维光电极编织成5 ×5cm的网，置于瓦斯浓度为1%的30×30×30cm反应容器中，可见光照120min后，瓦斯光电转化达到93%。实施例2：一种煤基石墨烯纤维光电极的制备方法，包括如下步骤步骤1、以无烟煤为碳源，采用 Hummers 法制备煤基氧化石墨烯，然后将煤基氧化石墨烯配制成18mg/mL的纺丝液；步骤2、采用直径为Ø0.9mm注射针头将纺丝液注入到含有5wt% CaCl2的乙醇/水(1:1 v/v)凝固浴中，静置30min后，取出并自然干燥得到煤基氧化石墨烯纤维；步骤3、将步骤2制得的煤基氧化石墨烯纤维置于45%HI溶液中，90℃下还原6h，得到煤基石墨烯纤维；步骤4、将步骤3制得的煤基石墨烯纤维浸涂聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质，得到凝胶电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤基石墨烯纤维光电极，其特征在于：是以经过氧等离子刻蚀的煤基石墨烯/氢化TiO2纤维为外电极，以浸涂凝胶电解质的煤基石墨烯纤维为内电极，将外电极顺序紧密缠绕在内电极上，即构建成所述的可用于低浓度瓦斯光电转化的全固态煤基石墨烯纤维光电极。

【技术特征摘要】
1.一种煤基石墨烯纤维光电极，其特征在于：是以经过氧等离子刻蚀的煤基石墨烯/氢化TiO2纤维为外电极，以浸涂凝胶电解质的煤基石墨烯纤维为内电极，将外电极顺序紧密缠绕在内电极上，即构建成所述的可用于低浓度瓦斯光电转化的全固态煤基石墨烯纤维光电极。2.一种煤基石墨烯纤维光电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、 以无烟煤为碳源，采用 Hummers 法制备煤基氧化石墨烯，然后将煤基氧化石墨烯配制成10～20mg/mL的纺丝液；步骤2、 采用直径为Ø0.5～0.9mm注射针头将纺丝液注入到凝固浴中，静置10～30min后，取出并自然干燥得到煤基氧化石墨烯纤维；步骤3、 将步骤2制得的煤基氧化石墨烯纤维置于35～45% HI溶液中，60～90℃下还原6～12h，得到煤基石墨烯纤维；步骤4、将步骤3制得的煤基石墨烯纤维浸涂凝胶电解质，得到凝胶电解质包裹的纤维状电极；步骤5、将TiO2纳米粒加入到步骤1制备的纺丝液中，搅拌得到分散均匀的煤基氧化石墨烯/TiO2纳米粒纺丝液，湿纺制备煤基氧化石墨烯/TiO2纤维；步骤6、将步骤5制得的煤基氧化石墨烯/TiO2纤维在H2/Ar气氛下进行热处理，得到煤基石墨烯/氢化TiO2纤维；步骤7、将煤基石墨烯/氢化TiO2纤维两端固定后，采用氧等离子体处理器对煤基石墨烯/氢化TiO2纤维进行刻蚀；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨政鹏，张雪峰，张春静，张春雷，赵威，牛宇涛，管学茂，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41