一种二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的方法和应用。具体采用电化学的方法，选用硫酸铵电解液对石墨毡进行提高表面润湿性的预处理；继续利用电化学的方法，选用石墨烯的DMF分散液对预处理后的石墨毡进行刻蚀，获得三维多孔石墨毡；最后，利用水热反应使纳米二氧化锰直接在三维多孔石墨毡表面及内部生成，获得多孔碳纤维限域二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极。该方法将具有较高催化活性的二氧化锰纳米粒子限域在石墨毡电极材料的多孔碳纤维中，异质结构具有丰富的分级孔隙和较高的比表面积，增加了石墨毡电极材料表面活性位点的数量，显著提高了石墨毡电极的电化学活性，组装的有机水相液流电池表现出较好的电化学性能。学性能。学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学储能中的有机电池
，具体涉及一种二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的方法和应用。

技术介绍

[0002]随着全球变暖和气候问题的影响，世界各国力求减少温室气体排放，可再生能源因低污染性而受到广泛关注。人们正迫切地对可再生能源收集和储存技术进行改进。目前电化学储能相比其他储能方式，具有建造费用低、工作环境适应性强和易于操作等优势。相比于其他储能电池，液流电池具有成本低廉、安全性高和倍率性能好等优势，被认为是最有前途的储能系统。区别于传统液流电池，有机活性物质代替传统的金属和卤素等活性物质的有机液流电池进一步被研究与发展。
[0003]石墨毡是当前液流电池中最普遍使用的电极材料。石墨毡是毡状纤维材料，具有多孔性，因此石墨毡当中具有较大间隙，方便流动电解液以及传导活性物质。石墨毡材料未经任何处理，直接作为电极材料使用，存在着表面润湿性差、电阻值高等问题。同时电极材料作为液流电池中活性物质发生氧化还原反应的场所，未经处理的石墨毡电化学活性低，影响活性分子的传质速率。因此石墨毡作为电极材料使用必须进行改性，以提高其电化学活性。
[0004]现有的石墨毡的电化学活性改性方法很多，包括热处理法、化学处理法、电化学法、金属离子掺杂改性、非金属元素掺杂改性和碳碳复合改性等。其中，这些方法或多或少存在一些问题，但是，电化学法是以铂等惰性电极或石墨毡等作为一极，石墨毡作为另一极，与合适的电解液组成电化学反应池，在电场的作用下，电流对石墨毡表面进行电化学氧化和刻蚀。通过此操作在石墨毡表面能够改变含氧官能团和比表面积，从而提高石墨毡的电化学性能和稳定性。而且该方法改性处理的石墨毡还可以通过纳米粒子修饰进一步提高比表面积和电化学反应活性位点，从而使石墨毡电极的性能获得进一步的提升。

技术实现思路

[0005]基于上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的方法和应用。
[0006]本专利技术保护一种二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的方法，具体包括如下步骤：
[0007]步骤1：配置一定浓度的硫酸铵电解液，将两片石墨毡分别作为反应的正、负极放置于硫酸铵电解液中，电极两端施加一定的电压，对石墨毡进行电解预处理2min；电解预处理完成后，用去离子水漂洗干净，然后放置于烘箱中烘干，备用；
[0008]步骤2：配置一定浓度的石墨烯的DMF分散液，将电解预处理后的正、负石墨毡电极放置于石墨烯的DMF分散液中，电极两端施加一定的电压，对石墨毡进行电化学刻蚀处理一定时间3～100min；电化学刻蚀处理完成后，用去离子水漂洗干净，然后放置于烘箱中烘干，由此得出三维多孔石墨毡，备用；
[0009]步骤3：取适量KMnO4溶解于65mL去离子水中，搅拌至完全溶解后，连续滴加无水乙醇，搅拌均匀；将电化学刻蚀处理后的石墨毡放置于聚四氟乙烯内衬中，同时将前述KMnO4与无水乙醇的混合溶液全部置于100mL聚四氟乙烯内衬中，将聚四氟乙烯内衬放入反应釜中并置于烘箱中，保温一定时间，获得多孔碳纤维限域二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极。
[0010]进一步的，所述步骤1中，硫酸铵电解液的浓度为0.1～0.4mol/L；电极两端施加的电压为5～10V；烘箱中烘干温度为80℃，烘干时间为24h。
[0011]进一步的，所述步骤2中，石墨烯的DMF分散液的浓度为0.05～0.2mg/mL；电极两端施加电压为5～10V，处理时间为3～100min；烘箱中烘干温度为80℃，烘干时间为24h。
[0012]进一步的，所述步骤3中，KMnO4的取用量为0.1～0.4g，连续滴加的无水乙醇为2～5mL；烘箱温度为150～180℃，保温时间为10～20h。
[0013]本专利技术还保护上述二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的应用，所述二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极用于有机水相液流电池。
[0014]进一步的，所述的有机水相液流电池的正极活性物质为0.2～0.4mol/L TEMPO，负极活性物质为0.2～0.4mol/L的甲基紫精(MV)，支持电解液为1.5～2mol/L的NaCl溶液，电池隔膜为阴离子交换膜。
[0015]相比于现有的技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0016]本专利技术的方法选用的二氧化锰是锰氧化物中最常见、晶型最多、也是目前研究较为广泛的一类氧化物。由于其结构多元、来源丰富和环境友好等特性而备受关注，也被广泛应用在超级电容器、碱性液体电池等能源相关领域。将具有较高催化活性的二氧化锰纳米粒子限域在石墨毡电极材料的多孔碳纤维中，设计的异质结构具有丰富的分级孔隙和较高的比表面积，增加了石墨毡电极材料表面活性位点的数量，显著提高了石墨毡电极的电化学活性，组装的有机水相液流电池表现出较好的电化学性能。将此类二氧化锰纳米粒子限域在碳纤维内部的改性石墨毡电极应用于有机水相液流电池中，可显著优化电池的能量效率、库伦效率和电压效率。本专利技术电极的改性处理方法具有如下优点：
[0017](1)本专利技术采用电化学方法对在石墨毡碳纤维表面引入三维孔结构，操作过程简单易控，既可以在碳纤纹表面及内部引入孔洞，也可以避免碳纤维的断裂。
[0018](2)本专利技术提出的将MnO2纳米粒子限域在碳纤维三维孔中，这种异质结构突破了传统利用热处理、酸处理、掺杂及碳材料修饰等在只能在碳纤维表面进行修饰的局限，将对石墨毡电极材料的改性处理拓展到了三维空间，能够较大程度的提升石墨毡电极的电化学性能。
[0019](3)后续还可以继续对MnO2进行掺杂改性以引入更多的电化学活性位点并提高其导电性能，从而可以进一步提高以改善电极的电化学性能；或者引入其他的纳米粒子构成限域结构，探索其他类型纳米粒子对石墨毡电极电化学性能的影响。
[0020](4)本专利技术所用原材料成本低，工艺工程简单易控，容易工业化推广，有利于推动有机水相液流电池的产业化发展。
附图说明
[0021]图1为本专利技术所制备三维多孔石墨毡的电镜扫描图；
[0022]图2本专利技术所制备二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的电镜扫描图；
[0023]图3为本专利技术实施例1中改性前后石墨毡电极的伏安循环测试图；
[0024]图4为本专利技术实施例1中改性石墨毡电极与未经处理石墨毡电极装入有机水相液流电池的效率对比图。
具体实施方式
[0025]下面将结合实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]实施例1
[0027]本专利技术一种二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的方法，各步骤的优化目的：
[0028](1)配置一定浓度的硫酸铵电解液，将两片石墨毡分别作为反应的正、负极放置于硫酸铵电解液中，电极两端施加一定的电压，对石墨毡进行电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1：配置一定浓度的硫酸铵电解液，将两片石墨毡分别作为反应的正、负极放置于硫酸铵电解液中，电极两端施加一定的电压，对石墨毡进行电解预处理2min；电解预处理完成后，用去离子水漂洗干净，然后放置于烘箱中烘干，备用；步骤2：配置一定浓度的石墨烯的DMF分散液，将电解预处理后的正、负石墨毡电极放置于石墨烯的DMF分散液中，电极两端施加一定的电压，对石墨毡进行电化学刻蚀处理一定时间3～100min；电化学刻蚀处理完成后，用去离子水漂洗干净，然后放置于烘箱中烘干，由此得出三维多孔石墨毡，备用；步骤3：取适量KMnO4溶解于65mL去离子水中，搅拌至完全溶解后，连续滴加无水乙醇，搅拌均匀；将电化学刻蚀处理后的石墨毡放置于聚四氟乙烯内衬中，同时将前述KMnO4与无水乙醇的混合溶液全部置于100mL聚四氟乙烯内衬中，将聚四氟乙烯内衬放入反应釜中并置于烘箱中，保温一定时间，获得多孔碳纤维限域二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极。2.根据权利要求1所述的一种二氧化锰纳米粒子改性石墨毡电极的方法，其特征在于，所述步骤1中，硫酸铵电解液的浓度为0.1～0.4mol/L；电...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩红静，聂昌通，徐俊辉，姚圣鑫，李悦，陈留平，
申请(专利权)人：中盐金坛盐化有限责任公司，
类型：发明
国别省市：