一种碳素纤维材料、碳素纤维电极、生物质基液体催化剂燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种碳素纤维材料、碳素纤维电极、生物质基液体催化剂燃料电池及其制备方法；在碳素纤维表面吸附上金属盐、金属盐经过热解和还原后在原位沉积纳米金属颗粒，去除沉积的纳米金属颗粒后在碳素纤维表面形成规整的微/介孔双孔洞结构，显著增加碳素纤维材料表面可利用的活性位点数目。将碳素纤维材料用于碳素纤维电极，电极表观内阻很低，具有更好的导电性；用于生物质基液体催化剂燃料电池，电池最大输出功率密度从11.1mW/cm2提升到了19.7mW/cm2，表观内阻从3.8Ω降低到1.8Ω，电池稳定输出电流密度也从52.3mW/cm2提升到了87.1mA/cm2；电池整体电化学性能得到提高。电池整体电化学性能得到提高。电池整体电化学性能得到提高。

【技术实现步骤摘要】
一种碳素纤维材料、碳素纤维电极、生物质基液体催化剂燃料电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物质燃料电池
，具体涉及一种碳素纤维材料、碳素纤维电极、生物质基液体催化剂燃料电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]生物质是常见的可再生能源，具有广泛性、可再生和低碳排放等优点，利用生物质发电是当前的研究热点。生物质基液体催化剂燃料电池是一种新型生物质燃料电池系统，光/热化学催化剂替代微生物和酶在电池中低温分解生物质，相对于传统的生物质基微生物燃料电池，具有低温分解生物质快速稳定、对生物质原料要求低、电能输出密度高和应用场景宽泛等优点，有望在生物质燃料电池低温高效发电应用领域取得突破。
[0003]碳素材料是生物质基液体催化剂燃料电池常用的电极材料，但目前商用碳素纤维材料作为电极使用时存在自身活性比表面积低和表观内阻高的不足的问题，常导致生物质基液体催化剂燃料电池稳定输出的电流密度偏低，限制了其大规模推广应用。所以寻找一种电化学活性更优的碳素纤维材料就显得尤为重要。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种碳素纤维材料的制备方法,能够在碳素纤维上刻蚀出具有微/介孔孔洞的规整结构，使得碳素纤维材料具有低的表观内阻和较好的带电性。
[0005]本专利技术的第二个目的是为了提供一种上述制备方法制备的碳素纤维材料。
[0006]本专利技术的第三个目的是为了提供一种碳素纤维电极，采用上述碳素纤维材料作为电极材料。
[0007]本专利技术的第四个目的是为了提供一种生物质基液体催化剂燃料电池，电池输出电流密度和功率密度明显提升。
[0008]实现本专利技术的目的之一可以通过采取如下技术方案达到：
[0009]一种碳素纤维材料的制备方法，包括以下制备步骤：
[0010]S1、将碳素纤维使用过氧化氢进行预处理，得到预处理后的碳素纤维；
[0011]S2、将预处理后的碳素纤维在含有金属盐的有机溶剂中对金属盐进行吸附，得到吸附金属盐的碳素纤维；
[0012]S3、将吸附金属盐的碳素纤维在惰性气体氛围下热处理，使金属盐发生热分解反应后，再发生碳还原反应，经酸洗后得到处理后的碳素纤维；
[0013]S4、将处理后的碳素纤维作为工作电极在直流电压下进行电还原处理后得到所述碳素纤维材料。
[0014]进一步的，所述碳素纤维为碳毡、碳布、碳纸或石墨毡中的任一种；所述金属盐为镍、铁、铜、锰、钴的硝酸盐。
[0015]进一步的，步骤S1中，所述碳素纤维与过氧化氢的质量比为 (1
‑
5)：(9.5
‑
19.4)；预处理的条件为：在100
‑
135℃下反应1
‑
12h。
[0016]进一步的，步骤S2中预处理后的碳素纤维与金属盐的质量比为 1:(0.5
‑
20)；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、DMF、DMSO、二氧六环、二氯甲烷、三氯甲烷或二氯乙烷中的一种或两种以上的组合物。
[0017]进一步的，步骤S3中，热处理过程为以3
‑
10℃/min升温速率升至400
‑
550℃后保温0.5
‑
3h；接着以3
‑
10℃/min升温速率再升至 600
‑
800℃后恒温热处理0.5
‑
3h。
[0018]进一步的，步骤S3中，酸洗使用的酸为盐酸、硫酸、硝酸中的一种或两种以上的组合物。
[0019]进一步的，步骤S4中电还原处理使用铂为参比电极、氯化铵的水溶液为电解液，直流电压为20V
‑
110V，电还原时间为5
‑
60min。
[0020]实现本专利技术的目的之二可以通过采取如下技术方案达到：
[0021]一种碳素纤维材料，所述碳素纤维材料由上述任一所述的碳素纤维材料的制备方法制得，所碳素纤维材料的表面具有介孔与微孔的双孔洞结构，孔径在1
‑
5nm之间分布。
[0022]实现本专利技术的目的之三可以通过采取如下技术方案达到：
[0023]一种碳素纤维电极，所述碳素纤维电极包含上述一种碳素纤维材料。
[0024]实现本专利技术的目的之四可以通过采取如下技术方案达到：
[0025]一种生物质基液体催化剂燃料电池，使用上述的一种碳素纤维电极作为阴极电极和/或阳极电极。
[0026]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0027]1、本专利技术的一种碳素纤维材料的制备方法,在碳素纤维表面吸附上金属盐、通过高温处理经金属盐热解为金属氧化物，而碳素纤维本身碳的还原性将金属氧化物还原成纳米颗粒并且在碳原位进行沉积，最终去除沉积的纳米金属颗粒后就在碳素纤维表面性形成规整的微/ 介孔孔洞结构，显著增加碳素纤维材料表面可利用的活性位点数目。其中使用过氧化氢对碳素纤维的预处理能够使得碳素纤维表面形成一层均匀分布的含氧基团，进而单层吸附金属盐；而最后的电化学还原处理又可以将碳素纤维表面残留的含氧基团去除避免含氧基团对碳素纤维导电性的影响。
[0028]2、本专利技术的一种碳素纤维材料,表面刻蚀出具有微/介孔的双孔洞的规整结构，能够显著增加碳素纤维材料表面可利用的活性位点数目，使得碳素纤维材料具有低的表观内阻和较好的带电性。
[0029]3、本专利技术的一种碳素纤维电极，碳素纤维电极表面具有丰富且规整的介孔与微孔的双孔洞结构，电池液体催化剂能通过介孔孔洞进入内部微孔孔道，使得碳素纤维表面所有介孔和微孔孔洞都能与液体催化剂充分接触，显著增加碳素纤维电极表面可利用的活性位点数目，有效提升电池整体电化学性能。
[0030]4、本专利技术的一种生物质基液体催化剂燃料电池，采用本专利技术制备得到的碳素纤维电极，表观内阻很低，具有更好的导电性，最大输出功率密度从11.1mW/cm2显著提升到了19.7mW/cm2，表观内阻从 3.8Ω降低到1.8Ω，电池稳定输出电流密度也从52.3mW/cm2显著提升到了87.1mA/cm2，本专利技术的一种生物质基液体催化剂燃料电池的电池输出电流密度和功率密度相对商用碳素电极都有明显提升；电池整体电化学性能得到提高。
附图说明
[0031]图1为对比例1商用石墨毡的扫描电子显微镜(SEM)图；
[0032]图2为实施例1的碳素纤维材料的扫描电子显微镜(SEM)图；
[0033]图3为对比例1商用石墨毡和实施例1的碳素纤维材料的氮气吸附/脱附曲线的对比图；
[0034]图4为对比例1商用石墨毡和实施例1的碳素纤维材料的孔径分布的对比图；
[0035]图5为把对比例1商用石墨毡和实施例1的碳素纤维材料用作电极分别应用在生物质基液体催化剂燃料电池体系时所得极化曲线与功率密度曲线的对比图；
[0036]图6为把对比例1中商用石墨毡和实施例1的碳素纤维材料用作电极分别应用在生物质基液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳素纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：S1、将碳素纤维使用过氧化氢进行预处理，得到预处理后的碳素纤维；S2、将预处理后的碳素纤维在含有金属盐的有机溶剂中对金属盐进行吸附，得到吸附金属盐的碳素纤维；S3、将吸附金属盐的碳素纤维在惰性气体氛围下热处理，使金属盐发生热分解反应后，再发生碳还原反应，经酸洗后得到处理后的碳素纤维；S4、将处理后的碳素纤维作为工作电极在直流电压下进行电还原处理后得到所述碳素纤维材料。2.根据权利要求1所述的一种碳素纤维材料的制备方法，其特征在于，所述碳素纤维为碳毡、碳布、碳纸或石墨毡中的任一种；所述金属盐为镍、铁、铜、锰、钴的硝酸盐。3.根据权利要求1所述的一种碳素纤维材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述碳素纤维与过氧化氢的质量比为(1
‑
5)：(9.5
‑
19.4)；预处理的条件为：在100
‑
135℃下反应1
‑
12h。4.根据权利要求1所述的一种碳素纤维材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中预处理后的碳素纤维与金属盐的质量比为1:(0.5
‑
20)；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、DMF、DMSO、二氧六环、二氯甲烷、三氯甲烷或二氯乙烷中的一种或两种以上的组合物。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永峰，廖前沿，魏宇昂，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：