一种改性碳基材料及其制备方法与应用，所述改性碳基材料包括碳基材料和原位生长在所述碳基材料上的N掺杂碳气凝胶，所述N掺杂碳气凝胶呈苔藓状。本发明专利技术提供的改性碳基材料作为电极材料使用时，极大地提高了电极的界面反应区域，同时由于氮参杂提高了催化活性位点，加速离子的输运与电荷的转移，进而提升电极的电化学活性，降低电化学极化，提升电池的电压效率和能量效率。率和能量效率。
【技术实现步骤摘要】
一种改性碳基材料及其制备方法与应用
[0001]本申请涉及储能液流电池
，具体涉及一种改性的碳基材料及其制备方法与在全钒液流电池电极材料中的应用。
技术介绍
[0002]由于社会的不断努力和发展，可再生能源能源，例如太阳能和风能，正在逐渐取代化石燃料。然而，为了确保其发展满足其实际使用，需要大规模用于稳定能量输出的储能系统。全钒液流电池(VRFB)由于其结构灵活，使用寿命长，维护成本低等优点是最有潜力的储能技术之一。VRFB在正、负极反应中使用具有不同价态的相同元素，有效地解决了正负极交叉污染和电解质的重复利用的问题。电极材料作为氧化还原反应区，由于浓差极化和电化学极化影响着VRFB的容量和能效效率(EE)。因此，必须开发更高效的电极材料来改善VRFB的整体性能。在各种电极材料中，石墨毡(GF)作为一种电极材料，由于其成本低廉、耐酸性好，在VRFB中得到了广泛的应用。然而，GF电极表面活性位点不足，导致钒电氧化还原反应催化活性差。目前已有几种方法被用来提升GF电极的电化学性能，如酸处理，空气热氧化，电化学氧化，官能团的引入，金属修饰。然而，通过使用这些方法进行修饰仍然不能得到高功率稳定输出的VRFB(电流密度为200mA cm-2时电压效率约为69％，能量效率约为68％)。
技术实现思路
[0003]针对现有电极表面活性位点不足、电池电化学性能差等问题，提供一种改性碳基材料及其制备方法与应用，增加了电极表面活性位点，提高了电池的电化学性能。
[0004]根据本申请的第一方面，提供了一种改性碳基材料，包括碳基材料和原位生长在所述碳基材料上的N掺杂碳气凝胶，所述N掺杂碳气凝胶呈苔藓状。
[0005]其中，所述碳基材料可选自用于电池电极的常规碳基材料，本专利技术不做限定。优选地，所述碳基材料选自碳毡、碳布、碳纸、石墨毡中的至少一种。
[0006]本申请提供的改性碳基材料，通过在碳基材料表面形成一层苔藓状改性碳气凝胶，极大地提高了电极的界面反应区域，同时由于氮参杂提高了催化活性位点，加速离子的输运与电荷的转移，进而提升电极的电化学活性，降低电化学极化，促进电池的电压效率和能量效率。
[0007]具体地，孔隙率为5.5～7.0mL g-1，比表面积为0.2～0.45m2 g-1。
[0008]本申请的第二方面，提供了一种改性碳基材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)将碳基材料分散在聚合物单体分散液中，得到混合体系；
[0010](2)将交联剂、引发剂添加到步骤(1)得到的混合体系中进行凝胶化反应，真空冷冻干燥，得到材料前体；
[0011](3)对步骤(2)得到的材料前体进行煅烧，得到改性碳基材料。
[0012]该制备方法工艺过程简单，原料成本低廉，且操作灵活方便，易于规模化生产。
[0013]具体地，步骤(1)所述聚合物单体选自N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、乙二醇、聚乙
烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的至少两种；
[0014]可选地，所述聚合物单体为N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的混合物；
[0015]可选地，所述N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的质量比为0.9～5：0.05，优选0.9～1.5：0.05；可选地，N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的质量比下限选自0.9：0.05、0.95：0.05、1：0.05、1.5：0.05、2：0.05，上限选自0.95：0.05、1：0.05、1.5：0.05、2：0.05、5：0.05。
[0016]可选地，步骤(1)所述聚合物单体分散液中溶剂为水、乙醇、丙酮中的至少一种；
[0017]可选地，步骤(2)中所述交联剂为N,N
′-
亚甲基双丙烯酰胺、植酸中的至少一种；
[0018]可选地，步骤(2)中所述引发剂为过硫酸盐；
[0019]可选地，所述过硫酸盐选自过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的至少一种。
[0020]可选地，步骤(1)所述聚合物单体分散液中聚合物单体的质量浓度为0.1～50％，优选1～10％，更优选1～3％；可选地，步骤(1)所述聚合物单体分散液中聚合物单体的质量浓度下限选自0.1％、1％、1.96％、3.9％、9.2％、10％，上限选自1％、1.96％、3.9％、9.2％、10％、50％。
[0021]优选地，步骤(1)中所述碳基材料与聚合物单体的质量比为1：100～100：1，优选3：1～5.05，其中，聚合物单体的质量均以聚合物单体总质量计；可选地，所述碳基材料与聚合物单体的质量比下限选自1：100、3：5.05、3：2.05、3：1，上限选自3：5.05、3：2.05、3：1、100：1。
[0022]优选地，所述聚合物单体与交联剂的摩尔比为0.01～700：1，优选100～700：1，更优选100～200：1；
[0023]优选地，所述引发剂与所述交联剂的质量比为1：0.5～200。
[0024]在一可选实施例中，聚合物单体为N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AM)的混合物，交联剂为N,N
′-
亚甲基双丙烯酰胺。
[0025]本实施例提供的改性气凝胶苔藓结构原位生长在碳基材料上，所述碳气凝胶苔藓结构是N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AM)共聚为骨架，通过N,N
′-
亚甲基双丙烯酰胺为交联剂形成的，即聚合物单体和交联剂交联制备得到的。
[0026]在一具体实施例中，所述制备方法包括：
[0027](1)将聚合物单体溶于去离子水中，室温约2小时均分分散，将碳基材料浸泡在线性聚合物溶液中，超声分散均匀，得到聚合物溶液；
[0028](2)将N,N
′-
亚甲基双丙烯酰胺溶在去离子水中，通过超声分散，得到交联剂溶液，在强力搅拌过程中，将交联剂溶液缓慢滴加到聚合物溶液中，使交联剂在碳基材料中发生凝胶化过程，反应时间1～24小时后，取出碳基材料使用液氮冷冻，经过24小时真空冷冻干燥；
[0029](3)将真空冷冻干燥后的碳基材料，置于管式炉中碳化，在氩气气氛中600℃～1000℃中煅烧1～24小时，升温速率1～10℃/min，冷却到室温，取出碳基材料用稀盐酸和去离子水分别清洗三次，置于烘箱中充分烘干，得到电极材料。
[0030]本实施例通过凝胶化反应，真空冷冻干燥和高温碳化等过程在碳基材料中原位生长改性的碳气凝胶苔藓，极大提高了电极的界面反应区域和催化活性位点，加速离子的输运与电荷的转移，进而提升电极的电化学活性，降低电化学极化，促进电池的电压效率和能量效率。
[0031]具体地，步骤(1)所述分散的具体条件包括：
[0032]分散温度为0～100℃；
[0033]分散时间为1～5h。
[0034]具体地，步骤(2)所述凝胶化反应的具体条件包括：
[0035]反应温度为30～100℃；优选30～60℃，更优选30～40℃。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种改性碳基材料，其特征在于，包括碳基材料和原位生长在所述碳基材料上的N掺杂碳气凝胶，所述N掺杂碳气凝胶呈苔藓状。2.根据权利要求1所述的改性碳基材料，其特征在于，孔隙率为5.5～7.0mL g-1，比表面积为0.2～0.45m2 g-1。3.根据权利要求1所述的改性碳基材料，其特征在于，所述碳基材料选自碳毡、碳布、碳纸、石墨毡中的至少一种。4.一种改性碳基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将碳基材料分散在聚合物单体分散液中，得到混合体系；(2)将交联剂、引发剂添加到步骤(1)得到的混合体系中进行凝胶化反应，真空冷冻干燥，得到材料前体；(3)对步骤(2)得到的材料前体进行煅烧，得到改性碳基材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述聚合物单体选自N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、乙二醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的至少两种；优选地，所述聚合物单体为N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的混合物；优选地，所述N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的质量比为0.9～5：0.05；优选地，步骤(1)所述聚合物单体分散液中溶剂为水、乙醇、丙酮中的至少一种；优选地，步骤(2)中所述交联剂为N,N
′-
亚甲基双丙烯酰胺、植酸中的至少一种；优选地，步骤(2)中所述引发剂为过硫酸盐；优选地，所述过硫...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴雄伟，张磊，凌苇，熊利斌，王恩多，
申请(专利权)人：江西省钒电新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：
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