一种提升碳布氧气析出性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种提升碳布氧气析出性能的方法，其包括：(1)将五氧化二钒和草酸分别加入到去离子水中，使两者充分反应，形成深蓝色的草酸氧钒溶液；(2)将步骤(1)制备的溶液冷却至室温，然后加入双氧水，使深蓝色的草酸氧钒溶液转换成棕色的过氧化氧钒溶液；(3)向步骤(2)制备的过氧化氧钒溶液中加入乙醇，接着转移到水热反应釜中，再向该水热反应釜中加入洁净碳布，进行水热反应，获得负载有二氧化钒的碳布；(4)以二氧化钒‑碳布复合材料为工作电极，利用循环伏安法除掉其表面的二氧化钒，制得活化碳布。本发明专利技术方法使用钒的化合物为氧化剂，在碳布表面引入了含氧官能团，极大提升了碳布在碱性溶液中的催化析氧能力。

A method for improving oxygen release property of carbon cloth

The invention discloses a method for improving carbon cloth, oxygen evolution its performance include: (1) five of two vanadium and oxalic acid were added into deionized water, so that the two full reaction, vanadyl oxalate solution formed deep blue; (2) the step (1) solution was prepared by cooling to room temperature. Then add the hydrogen peroxide, the oxalate vanadium solution into the deep blue of the hydrogen peroxide solution of vanadium brown; (3) to step (2) prepared by adding ethanol oxidation vanadium solution, and then transferred to a hydrothermal reaction kettle, adding carbon cloth to clean the water and heat in a reaction kettle. The hydrothermal reaction, get a load of two vanadium oxide carbon cloth; (4) to two vanadium oxide carbon cloth composite as working electrode, using two vanadium oxide cyclic voltammetry to get rid of the surface of the prepared activated carbon cloth. The method uses vanadium compound as oxidant, and oxygen functional groups are introduced into the surface of carbon cloth, which greatly improves the catalytic oxygen evolution capacity of carbon cloth in alkaline solution.

【技术实现步骤摘要】
一种提升碳布氧气析出性能的方法
本专利技术属于电催化析氧
，更具体地，涉及一种提升碳布氧气析出性能的方法。
技术介绍
氧气析出反应由于在诸多能源转换与存储系统(如电解水产氢、金属空气电池等)中扮演非常重要的角色而受到广泛关注。然而，氧气析出反应是一个多电子转移过程，其动力学比较缓慢，常常需要催化剂的帮助加快反应速率。目前，普遍认为IrO2和RuO2是活性最高的氧气析出反应催化剂，但是它们的价格昂贵、储量有限，限制了其在实际生活中的大规模应用。所以，发展高活性、价格便宜的氧气析出反应催化剂具有非常重要的意义。最近，越来越多的科研工作者认为掺杂的碳材料是IrO2和RuO2的有效替代者。当杂原子(如N、S、B、P等)掺入到碳的骨架中，可以精准调控碳材料的电子结构以及表面的物理化学性质，这将有利于氧气在催化剂表面的吸附以及氧中间体的脱附，从而有效降低氧气析出反应较高的活化能，加快氧气的析出(见YongZhao,RyuheiNakamura,kazuhidekamiya,etal.,Nitrogen-dopedcarbonnanomaterialsasnon-metalelectrocatalystsforwateroxidation,NatureCommunication,2013,4,2390)。除了掺杂这种策略，在碳材料的表面引入含氧官能团也是一种提升碳材料催化性能的有效手段。例如，Li等发现碳纳米管经过氧气等离子体轰击以及高温热处理后，表面会生成含氧官能团，而这种带有含氧官能团的碳纳米管可以极大提升材料的催化活性；进一步的理论计算发现含氧官能团中的羰基起着至关重要的作用(见LaiquanLi,HongbinYang,JianweiMiao,etal.,Unravelingoxygenevolutionreactiononcarbon-basedelectrocatalysts:effectofoxygendopingonadsorptionofoxygenatedintermediates,ACSEnergyLetters,2017,2,294)。然而，上述的碳材料常常以粉末形式存在，当应用于电催化领域，将不得不与聚合物粘结剂混在一起，然后固定到电极上。由于受限的物质传输与电子传输，使用粘结剂会降低材料的氧气析出性能。碳布由于具有三维导电结构、极易获取等特性已经成为电催化领域非常有前景的柔性载体材料。各种各样的活性物质，不管是通过水热法还是气相沉积法，当长在碳布的表面，其催化性能相比它们的粉末样品都会有极大的提升。令人遗憾的是，碳布本身并不能作为氧气析出反应的电催化剂，因为它的表面没有足够的活性位点。现在，只有一些零星的报告发现某些特殊的手段可以活化碳布从而提升其氧气析出性能，如Liu等使用氩气等离子体轰击(见ZhijuanLiu,ZhenghangZhao,YanyongWang,etal.,Insituexfoliated,edge-rich,oxygen-functionalizedgraphenefromcarbonfibersforoxygenelectrocatalysis,AdvancedMaterials,2017,29,1606207)以及Cheng等使用强氧化性酸(见NingyanCheng,QianLiu,JingqiTian,etal.,Acidicallyoxidizedcarboncloth:anovelmetal-freeoxygenevolutionelectrodewithhighcatalyticactivity,ChemicalCommunication,2015,51,1616)。但是，这些报告使用的设备要么比较特殊，要么就是实验试剂危险系数比较高。因此，发展利用简便易行的方法获得高反应活性且性能稳定的碳布对于推动氧气析出反应在各种能源转化与存储系统中的应用，具有非常重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种提升碳布氧气析出性能的方法，使用钒的化合物为氧化剂，在碳布表面引入含氧官能团，极大提升了碳布在碱性溶液中的催化析氧能力，该方法制备的碳布具有非常高的氧气析出活性，甚至比贵金属RuO2更好，可有效降低氧气析出反应催化剂的成本。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种提升碳布氧气析出性能的方法，该方法包括如下步骤：(1)将五氧化二钒和草酸分别加入到去离子水中，在一定温度的油浴中使两者充分反应形成深蓝色的草酸氧钒溶液；(2)使步骤(1)制备的溶液冷却至室温，然后加入双氧水，使深蓝色的草酸氧钒溶液转换成棕色的过氧化氧钒溶液；(3)向步骤(2)制备的溶液中加入乙醇，然后转移到水热反应釜中，向该水热反应釜中加入一块洗干净的碳布，进行水热反应，获得负载有二氧化钒的碳布；(4)以步骤(3)所制备的二氧化钒-碳布复合材料为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1MKOH溶液中，利用循环伏安法除掉表面的二氧化钒，即可得到所述的活化的碳布。优选地，所述五氧化二钒在所述去离子水中的质量浓度为30～35mg/ml，所述五氧化二钒与所述草酸的摩尔比为1:3，所述油浴温度为70～90℃。优选地，所述双氧水与所述去离子水的体积比为1:4～1:3。优选地，所述乙醇与所述去离子水的体积比为4:1～6:1。优选地，所述乙醇与所述去离子水的总体积不能超过所述水热反应釜体积的80％。优选地，所述水热反应温度为170～190℃，所述水热反应时间为100～250分钟。优选地，所述循环伏安法的电位范围为0～0.8V(vs.SCE)，扫描速度为100mVs-1，扫描圈数为20～40。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1、本专利技术利用过氧化氧钒较强的氧化能力，在碳布表面引入含氧官能团，极大提升了碳布的催化能力，从而开辟了一条活性碳材料的新思路。本专利技术方法制备的活化碳布，具有非常高的氧气析出活性，甚至比贵金属RuO2都要好，因此完全可以摒弃贵金属的使用，从而有效降低氧气析出反应催化剂的成本。2、本专利技术方法整个反应过程条件温和，无须引入特殊的设备或者苛刻的实验条件，使用的试剂相比强氧化性酸(硝酸)而言比较安全。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的碳布和没有活化的碳布的场发射扫描电镜图，其中，图1(a)为没有活化的碳布，图1(b)为实施例1制备的碳布；图2是本专利技术实施例1制备的碳布和没有活化的碳布的X-射线光电子能谱图；图3是本专利技术实施例1制备的碳布、没有活化的碳布和贵金属RuO2的线性扫描曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术的一种提升碳布氧气析出性能的方法，包括如下步骤：(1)将五氧化二钒和草酸分别加入到去离子水中，在一定温度的油浴中使两者充分反应形成深蓝色的草酸氧钒溶液；(2)使步骤(1)制备的溶液冷却至室温，然后加入双氧水，使深蓝色的草酸氧钒溶液转换成棕色的过氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提升碳布氧气析出性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将五氧化二钒和草酸均加入到去离子水中，形成混合溶液，在设定温度的油浴中使两者充分反应，形成深蓝色的草酸氧钒溶液；(2)将步骤(1)制备的草酸氧钒溶液冷却至室温，接着加入双氧水，使深蓝色的草酸氧钒溶液转换成棕色的过氧化氧钒溶液；(3)向步骤(2)制备的过氧化氧钒溶液中加入乙醇，然后转移到水热反应釜中，向该水热反应釜中加入洁净碳布，对碳布进行水热反应，获得负载有二氧化钒的碳布；(4)以步骤(3)所制备的二氧化钒‑碳布复合材料为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1M KOH溶液中，利用循环伏安法除掉表面的二氧化钒，至此，制备获得析氧性能得到提升的活化碳布。

【技术特征摘要】
1.一种提升碳布氧气析出性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将五氧化二钒和草酸均加入到去离子水中，形成混合溶液，在设定温度的油浴中使两者充分反应，形成深蓝色的草酸氧钒溶液；(2)将步骤(1)制备的草酸氧钒溶液冷却至室温，接着加入双氧水，使深蓝色的草酸氧钒溶液转换成棕色的过氧化氧钒溶液；(3)向步骤(2)制备的过氧化氧钒溶液中加入乙醇，然后转移到水热反应釜中，向该水热反应釜中加入洁净碳布，对碳布进行水热反应，获得负载有二氧化钒的碳布；(4)以步骤(3)所制备的二氧化钒-碳布复合材料为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1MKOH溶液中，利用循环伏安法除掉表面的二氧化钒，至此，制备获得析氧性能得到提升的活化碳布。2.如权利要求1所述的一种提升碳布氧气析出性能的方法，其特征在于，步骤(1)中的混合溶液中，五氧化二钒与草酸的摩尔比为1:3，五氧化二钒在混合溶液中的质量浓度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄德康，李淑，罗艳珠，陈浩，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42