一种改性活化碳材料的方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种改性活化碳材料的方法及其应用，所述方法包括如下步骤：1)将碱性物质溶于去离子水中，得到碱溶液；2)将氧化性物质于常温下溶解在碱溶液中，得到碱性化学氧化刻蚀液；3)将碳材料于20～80℃下浸泡到碱性化学氧化刻蚀液中1～24h，进行改性活化处理；4)用去离子水冲洗改性活化处理后的碳材料，烘干后得到改性活化碳材料。采用本发明专利技术方法改性活化的碳材料，具有较高的比表面积和良好的亲水性能，且表现出良好的电化学性能，可应用于碱金属二次电池、超级电容器、液流电池等储能器件的电极材料；此外，本发明专利技术方法操作简单、反应条件温和、能耗低。能耗低。能耗低。

A method of modifying activated carbon materials and its application

【技术实现步骤摘要】
一种改性活化碳材料的方法及其应用


[0001]本专利技术属于碳材料领域，具体地，本专利技术涉及一种改性活化碳材料的方法及其应用。

技术介绍

[0002]碳材料由于良好的电子导电性和热/机械稳定性，被广泛用作储能器件的电极材料。然而，较低的比表面积和较差的亲水性能，限制了其在水系储能器件中的发展与应用。例如，在钒液流电池领域应用中，碳电极材料对电解液的润湿性能的好坏，直接关系着电极材料表面钒离子氧化还原反应的发生，进而影响其储能性能。因此，对碳材料进行表面改性和活化是十分必要的。目前，对碳基电极材料进行活化和改性，主要通过以下几种方法：1)高温热处理法：主要是将碳材料在高温条件下进行活化处理，增加碳材料表面含氧官能团的数量，如中国专利CN109987604A在600～800℃对碳材料进行1～4h的活化处理；2)强氧化性酸处理：在水热/溶剂热等高温条件下，利用强氧化性酸液引入含氧基团，提升碳材料亲水性能，如中国专利CN104018340A利用硝酸溶液对碳纤维进行表面改性；3)离子溅射法(plasm)：在真空条件下，利用等离子束轰击碳材料表面，进而引入缺陷；4)电化学活化法。然而现有方法，其存在反应条件苛刻、设备要求严格、改性和活化效率较低等问题。因此，急需开发一种反应条件温和、简单方便、可操作性强的碳材料表面改性和活化的新方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种改性活化碳材料的方法及其应用，利用碱性化学氧化刻蚀液对碳材料进行改性活化处理，改性活化处理后的碳材料具有较高的比表面积和良好的亲水性能，且表现出良好的电化学性能；此外，本专利技术方法操作简单、反应条件温和、能耗低。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]本专利技术提供了一种改性活化碳材料的方法，包括如下步骤：
[0006]1)将碱性物质溶于去离子水中，得到碱溶液；
[0007]2)将氧化性物质于常温下溶解在碱溶液中，配制得到碱性化学氧化刻蚀液；
[0008]3)将碳材料于20～80℃浸泡到碱性化学氧化刻蚀液中1～24h，进行改性活化处理；
[0009]4)用去离子水冲洗改性活化处理后的碳材料，烘干后得到改性活化碳材料。
[0010]在一些实施例中，碱性物质为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或两种以上的组合。
[0011]在一些实施例中，碱溶液的浓度为10～100g/L。
[0012]在一些实施例中，氧化性物质为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、溴酸钾、氯酸钾、高氯酸钾、高锰酸钾、双氧水中的一种或两种以上的组合。
[0013]在一些实施例中，氧化性物质的浓度为10～50g/L。
[0014]在一些实施例中，碱性化学氧化刻蚀液中碱性物质与氧化性物质的质量浓度之比为1:1～5:1，优选为3:1～4:1。
[0015]在一些实施例中，碳材料为石墨毡、碳纤维纸、碳布、碳管、石墨烯、碳黑中的一种或其复合物。
[0016]在一些实施例中，步骤3)中浸泡的温度为60℃，浸泡的时间为6h。
[0017]本专利技术中的改性方法，利用碱性化学氧化刻蚀液对碳材料进行改性活化，其一方面是通过液相化学氧化作用，在碳材料表面引入磺酸基、羟基等含氧亲水官能团，进而改善碳材料表面的亲水性能；另一方面，在保持碳材料良好机械性能的基础上，通过原位刻蚀作用，增加碳材料表面的粗糙度，提升其比表面积。相比于现有技术中高温条件下对碳材料进行改性活化，本专利技术方法其改性温度更低，仅需在20～80℃条件下即可对碳材料进行改性处理，且方法更为简单，可操作性强，对设备要求低。
[0018]本专利技术还提供了一种改性活化碳材料，该改性活化碳材料由上述方法制备得到。
[0019]本专利技术提供的改性活化碳材料，具有较高的比表面积和良好的亲水性能，且表现出良好的电化学性能。
[0020]本专利技术还提供了上述改性活化碳材料在制备储能器件的电极材料中的应用。
[0021]在一些实施例中，储能器件为碱金属二次电池、超级电容器或液流电池。
[0022]本专利技术提供的技术方案相比现有技术，具有如下优点：
[0023](1)相比于现有技术中高温条件下对碳材料进行改性活化，本专利技术的改性方法其改性温度更低，仅需在20～80℃的低温条件下利用碱性化学氧化刻蚀液对碳材料进行改性活化处理，既可以在碳材料表面引入含氧亲水基团，从而改善碳材料表面亲水性能，同时也可以在保持碳材料主体结构完整性的前提下，增加碳材料表面的不平整度，提高碳材料的比表面积。
[0024](2)本专利技术方法工艺简单、对设备要求低、可操作性强、反应条件温和，反应能耗低，适于工业化生产。
[0025](3)采用本专利技术方法改性活化后的碳材料，具有较高的比表面积和良好的亲水性能，且表现出良好的电化学性能，可应用于碱金属二次电池、超级电容器、液流电池等储能器件的电极材料。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例1中的碳布在改性活化处理前后的接触角测试图。
[0027]图2为本专利技术实施例1中改性活化处理后的碳布的折叠性能测试图。
[0028]图3为本专利技术实施例1中的碳布在改性活化处理前的SEM图。
[0029]图4为本专利技术实施例1中的碳布在改性活化处理后的的SEM图。
[0030]图5为本专利技术实施例1中的碳布在改性活化处理前后的CV曲线测试图，其中，曲线(a)为改性活化处理前的碳布的CV曲线；曲线(b)为改性活化处理后的碳布的CV曲线。
[0031]图6为本专利技术实施例2的方法制备的改性活化碳纤维纸以及电化学活化法制备的改性活化碳纤维纸在钒液流电池正极电解液(1.6mol/L VOSO4)中的EIS曲线测试图，其中，曲线(a)为本专利技术实施例2的方法制备的改性活化碳纤维纸的EIS曲线；曲线(b)为电化学活化法制备的改性活化碳纤维纸的EIS曲线。
[0032]图7为本专利技术实施例2中改性活化处理前后的碳纤维纸在钒液流电池正极电解液(1.6mol/L VOSO4)中的CV曲线测试图，其中，曲线(a)为改性活化处理前的碳纤维纸的CV曲线；曲线(b)为改性活化处理后的碳纤维纸的CV曲线。
[0033]图8为本专利技术实施例3中的碳纳米管在改性活化处理前后的EIS曲线测试图，其中，曲线(a)为改性活化处理后的碳纳米管的EIS曲线；曲线(b)为改性活化处理前的碳纳米管的EIS曲线。
具体实施方式
[0034]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0035]本专利技术实施例提供了一种改性活化碳材料的方法，包括如下步骤：
[0036]1)将碱性物质溶于去离子水中，得到碱溶液；
[0037]2)将氧化性物质于常温下溶解在碱溶液中，配制得到碱性化学氧化刻蚀液；
[0038]3)将碳材料于20～80℃下浸泡到碱性化学氧化刻蚀液中1～24h，进行改性活化处理；
[0039]4)用去离子水冲洗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性活化碳材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将碱性物质溶于去离子水中，得到碱溶液；2)将氧化性物质于常温下溶解在碱溶液中，得到碱性化学氧化刻蚀液；3)将碳材料于20～80℃下浸泡到碱性化学氧化刻蚀液中1～24h，进行改性活化处理；4)用去离子水冲洗改性活化处理后的碳材料，烘干后得到改性活化碳材料。2.根据权利要求1所述的一种改性活化碳材料的方法，其特征在于，所述碱性物质为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或两种以上的组合。3.根据权利要求1或2任一项所述的一种改性活化碳材料的方法，其特征在于，所述碱溶液的浓度为10～100g/L。4.根据权利要求1所述的一种改性活化碳材料的方法，其特征在于，所述氧化性物质为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、溴酸钾、氯酸钾、高氯酸钾、高锰酸钾、双氧水中的一种或两种以上的组合。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东彬，代宇，滕艾均，刘天豪，彭显著，曾泽华，高荣荣，
申请(专利权)人：鞍钢集团北京研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：