一种大比表面积N掺杂碳布电极及其制备方法、应用技术

本发明专利技术涉及材料领域，具体而言，涉及一种大比表面积N掺杂碳布电极及其制备方法、应用。该方法，包括以下步骤：将清洗干净的碳布烘干后，采用氮气与惰性气体混合形成的等离子体轰击碳布的表面。该方法通过将氮气与惰性气体混合形成的等离子体轰击碳布的表面，使得碳布的表面形成了多孔结构，从而提升了材料的比表面积提供大量的活性位点。氮气与惰性气体混合形成的等离子体，从而使得氮原子能够与碳原子以共价键的形式结合，形成极强的碳氮共价键结构，从而增大电极材料对电极反应的催化活性。相对于现有技术中，该电极不需要使用催化剂和粘接剂，因此具有更好的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种大比表面积N掺杂碳布电极及其制备方法、应用
本专利技术涉及材料领域，具体而言，涉及一种大比表面积N掺杂碳布电极及其制备方法、应用。
技术介绍
传统的二次电池受限于能量密度不高，难以满足电动汽车的需要。锂空气电池具有与传统化石能源相当的能量密度，在电动汽车飞速发展的今天具有巨大的应用前景。锂空气电池凭借着超高的理论能量密度，其概念一经提出便受到了科研界的广泛关注，被认为是最具应用前景的新一代二次电池。锂空气电池的反应机制是Li2O2的生成和分解，活性物质为空气中的氧气，取之不尽用之不竭，因此具有环境友好、成本低廉的优势。由于电池反应是空气中的氧气与金属锂直接参与，其理论能量密度可达3600Wh/kg，封装后在实际应用时其能量密度有望能接近化石燃料燃烧所提供的能量密度，高达600Wh/kg左右。锂空气电池是由正极材料、金属锂负极、电解液构成，电池的电极反应发生的主要场所在电池的正极，因此正极材料对电池的性能有着很大的影响。目前锂空气电池存在的多种问题，比如电池的充放电过电势高，放电容量低，循环稳定性差等。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法。本专利技术的第二目的在于提供一种大比表面积N掺杂碳布电极，本专利技术的第三目的在于提供大比表面积N掺杂碳布电极在锂空气电池中的应用。为了实现上述目的，本专利技术实施例采用的技术方案如下：一种大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法，包括以下步骤：(1)碳布预处理：将碳布清洗、真空烘干处理；(2)电极制备：用磁控溅射反溅技术将氩气轰击碳布表面，在碳布表面形成多孔结构，反溅时加入适当的氮气，在氮气中处理3～5min。一种大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法，包括以下步骤：将清洗干净的碳布烘干后，采用氮气与惰性气体混合形成的等离子体轰击碳布的表面。一种大比表面积N掺杂碳布电极，其由上述的大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法制得。一种大比表面积N掺杂碳布电极在锂空气电池中的应用。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法，包括以下步骤：将清洗干净的碳布烘干后，采用氮气与惰性气体混合形成的等离子体轰击碳布的表面。该方法通过将氮气与惰性气体混合形成的等离子体轰击碳布的表面，使得碳布的表面形成了多孔结构，从而提升了材料的比表面积提供大量的活性位点。氮气与惰性气体混合形成的等离子体，从而使得氮原子能够与碳原子以共价键的形式结合，形成极强的碳氮共价键结构，从而增大电极材料对电极反应的催化活性。相对于现有技术中，该电极不需要使用催化剂和粘接剂，因此具有更好的稳定性。本专利技术提供的一种大比表面积N掺杂碳布电极，其由上述的大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法制得。该电极对电极反应的催化活性高，电极更加稳定。本专利技术提供的一种大比表面积N掺杂碳布电极在锂空气电池中的应用。将这种大比表面积N掺杂碳布电极应用在锂空气电池中，有利于提高锂空气电池的催化活性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施例提供的大比表面积N掺杂碳布电极的SEM图；图2为本专利技术实施例提供的大比表面积N掺杂碳布电极的XPS图；图3为本专利技术实施例提供的大比表面积N掺杂碳布和纯碳的脱吸附曲线及孔径分布图，其中，图(a)和图b分别为纯碳布和氮掺杂碳布的孔径分布图，图(c)和图(d)分别为纯碳布和氮掺杂碳布材料的等温脱吸附曲线；图4为本专利技术实施例提供的大比表面积N掺杂碳布和纯碳的放电容量比较图；图5为本专利技术实施例提供的大比表面积N掺杂碳布和纯碳的充放电过电势比较图；图6为本专利技术实施例提供的大比表面积N掺杂碳布和纯碳的循环稳定性比较图；其中，图(a)为N掺杂碳布电极电池的循环稳定性结果；图(b)为对比电极的循环稳定性结果。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下面对本专利技术实施例的一种大比表面积N掺杂碳布电极及其制备方法、应用进行具体说明。本专利技术实施例提供的一种大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法，包括：S1、碳布预处理。碳布是碳纤维布的简称，由预氧化的聚丙烯腈纤维织物经炭化或碳纤维经纺织而成。本实施例中所采用的碳布可以通过市售购买获得。由于市售购买获得的碳布的表面可能存在杂质，因此，在使用之前先对碳布进行预处理，能够有效地去除杂质，进而保证后续获得的大比表面积N掺杂碳布电极的性能。具体的，在本实施例中，采用去离子水和无水乙醇依次超声清洗多次。应理解，采用去离子超声清洗碳布时，超声清洗的时间根据具体的情况选择。同样地，采用无水乙醇超声清洗碳布是，超声清洗的时间根据具体的情况选择。采用去离子水和无水乙醇依次超声清洗的次数也是根据实际情况选择设置。进一步地，在本专利技术其他可选的实施例中，清洗碳布还可以根据实际需要选择本领域其他常见的清洗溶剂。可选地，采用丙酮和去离子水依次超声清洗多次。进一步地，还对清洗干净的碳布烘干。具体地，在本实施例中，将清洗干净的碳布真空烘干。通过将碳布烘干，从而能够将碳布表面的水分烘干，进而为后续在碳布表面掺杂氮提供有利保障。进一步地，在真空环境下干燥前述的碳布，能够有效地避免碳布发生分解等现象，进一步地保证碳布本身的性能。S2、采用氮气与惰性气体混合形成的等离子体轰击碳布的表面。原子内的电子在脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存的状态，此时，电子和离子带的电荷相反，但数量相等，即为等离子体。氮气与惰性气体混合形成的等离子体中，由于惰性气体性能非常稳定，因此，该氮气与惰性气体混合形成的等离子体中主要为氮原子内的电子在脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存的状态。采用该氮气与惰性气体混合形成的等离子体轰击碳布的表面，氮原子能够与碳原子以共价键的形式结合，形成极强的碳氮共价键结构，进而改变碳布本身的性能。进一步地，在本实施方式中，轰击碳布的表面时，可选地，选择采用磁控溅射反溅的方法轰击碳布表面，能够形成上述的氮气与惰性气体混合形成的等离子体，从而使得氮原子能够与碳原子以共价键的形式结合，形成极强的碳氮共价键结构，进而改变碳布本身的性能。进一步地，在本实施例中，采用磁控溅射反溅的方法在800～850V电压、0.35～0.50A电流条件下，溅射碳布的表面3～5min。进一步地，采用磁控溅射反溅碳布的表面时，氩气的流量为120～130sccm；氮气的流量为60～80sccm。进一步地，在本专利技术其他可选的实施例中，还可以选择本领域其他常见的方法将氮气与惰性气体混合形成的等离子体轰击碳布的表面。进一步地，上述的惰性气体选择氩气、氦气或者氙气中的任意一种。进一步可选地，在本实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳布预处理：将碳布清洗、真空烘干处理；(2)电极制备：用磁控溅射反溅技术将氩气轰击碳布表面，在碳布表面形成多孔结构，反溅时加入适当的氮气，在氮气中处理3～5min。

【技术特征摘要】
2018.02.08 CN 20181012863771.一种大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳布预处理：将碳布清洗、真空烘干处理；(2)电极制备：用磁控溅射反溅技术将氩气轰击碳布表面，在碳布表面形成多孔结构，反溅时加入适当的氮气，在氮气中处理3～5min。2.如权利要求1所述的大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法，其特征在于，采用所述磁控溅射反溅技术轰击所述碳布表面时，磁控溅射反溅电压为800～850V、磁控溅射反溅电流为0.35～0.50A。3.如权利要求1所述的大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法，其特征在于，采用所述磁控溅射反溅技术轰击所述碳布表面时，氩气的流量为120～130sccm；氮气的流量为60～80sccm。4.如权利要求1所述的大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法，其特征在于，将所述碳布清洗处理是将所述碳布用去离子水和无水乙醇依次超声清洗多次。5.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙剑平，胡安俊，舒朝著，候志前，梁冉曦，李嘉宝，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川,51