一种利用鳞片状石墨烯修饰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利用鳞片状石墨烯修饰石墨毡电极的方法和应用。具体用电化学处理法对石墨毡进行处理，提高石墨毡含氧官能团的含量，以增加石墨纤维电解液可及性；之后采用鳞片状石墨烯喷涂在石墨毡的表面增强其催化活性，从而提高电池性能。从本发明专利技术修饰电极应用于液流电池用的结果可见，该石墨毡电极通过在石墨毡基体表面喷涂鳞片状石墨烯材料，不仅能够提高电极的反应活性位点，而且能够改善电极材料的电化学活性。同时，本发明专利技术方法工艺流程简单，成本低廉，更容易进行工业化的推广。更容易进行工业化的推广。更容易进行工业化的推广。

【技术实现步骤摘要】
一种利用鳞片状石墨烯修饰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
，具体涉及一种利用鳞片状石墨烯修饰石墨毡电极的方法和应用。

技术介绍

[0002]随着新能源技术的不断发展，尤其是以太阳能发电和风力发电为代表的清洁能源，其发电的波动性和随机性导致传统的储能方式不能满足要求。液流电池储能技术便是一种很有效的储能方式，其电解液和电极的空间分离、不受地理等外部条件的限制、灵活配置、反应响应速度快的优点很好的解决了太阳能发电和风力发电的不稳定的特性。其中石墨毡电极作为一种传统的电极材料，具有较高的比表面积和优异的导电性能及较强的抗氧化能力，是一种比较理想的电极材料。但作为电极材料应用时仍存在亲水性差及电化学活性低等缺点，限制了电池能量转化效率及功率密度的提升。
[0003]为了解决石墨毡亲水性、电化学活性差的问题，主要有两种方法，其一是通过热处理、酸处理、电氧化、氨氧化反应、等离子体处理等本征处理方式引入官能团(
‑
COOH、
‑
OH、
‑
C＝O等)，增强石墨毡电极的电化学活性和润湿性，改善循环性能、离子扩散速度和比电容，其中的一些改性方法也能够提高石墨毡纤维表面的粗糙度，通过增加反映的活性位点来改善电极的电化学性能。另外一种方法则是在表面缀饰具有优异导电性或电催化活性的纳米粒子，主要有包括碳基以及金属基材料，碳基材料的应用主要包括碳纳米管、氧化石墨烯和生物质基碳材料，利用其具有比表面积高、稳定性好、成本低的优点来对石墨毡电极进行改性处理。
[0004]石墨烯和氧化石墨烯由于特殊的电子、光学、力学性能已成为当今科学研究的热点，而与石墨烯相比，氧化石墨烯的元素组成并不固定.普遍认为氧化石墨烯存在羟基(
‑
OH)、环氧基(
‑
C(O)C
‑
)、羰基(
‑
C＝O)、羧基(
‑
COOH)、酯基(
‑
COO
‑
)等含氧官能团，由于官能团的存在，氧化石墨烯的厚度可达到(1.1
±
0.2)nm，远高于石墨烯的0.3354nm。也是正由于含氧官能团的存在，一方面使氧化石墨烯的部分物理性能低于石墨烯，但另一方面赋予了其良好的分散性。作为液流电池关键电极材料的石墨毡，是离子电极反应发生的场所，但因为它有限的电催化活性和反应面积这些缺点严重制约了电池性能的提高。考虑到氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团和良好的亲水性，可以通过简单的物理吸附法将氧化石墨烯修饰于石墨毡表面。如果在石墨毡上修饰氧化石墨烯，那么在一定程度上，材料的导电性会得到提升，材料的比表面积也会增加，在整个反应进行的过程中，会存在有更多的活性位点，电极的电化学活性也会得以增强。

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利用鳞片状石墨烯修饰石墨毡电极的方法和应用。
[0006]本专利技术保护一种利用鳞片状石墨烯修饰石墨毡电极的方法，具体包括如下步骤：
[0007]步骤1：取一定量，浓度为98％的浓硫酸，逐滴加入到去离子水中，室温搅拌混合均匀，备用；另取KOH配置一定浓度的KOH溶液，备用；
[0008]步骤2：将步骤1配置好的两种溶液按照1:1的比例混合均匀，用做电化学预处理石墨毡的电解液；取两块石墨毡分别作为正、负极，并在正负石墨毡电极两端施加一定的电压，电解一定时间，待电解完成后，取正负极石墨毡用去离子水超声冲洗，烘干，备用；
[0009]步骤3：取一定量的鳞片状石墨粉置于DMF溶液中，利用超声波分散仪对鳞片状石墨粉进行高速搅拌及粉碎处理；处理完成后，取该鳞片状石墨烯粉的DMF分散液置于喷壶中，均匀喷涂在经步骤2处理的石墨毡两面，然后置于烘箱烘干，即得鳞片状石墨烯修饰的石墨毡电极。
[0010]进一步的，所述步骤1中，取2～5g，浓度为98％的浓硫酸，逐滴加入到200mL的去离子水中，室温搅拌混合均匀，备用；另取22.22～85.71g的KOH，配置浓度为10～30％的KOH溶液200mL，备用。
[0011]进一步的，所述步骤2中，正负石墨毡电极两端施加的电压为8～10v，电解时间为30s～2min。
[0012]进一步的，所述步骤3中，取2～6g的鳞片状石墨粉置于20mLDMF溶液中；超声波分散仪的功率为300～600W，处理时间为10～20min。
[0013]进一步的，所述步骤3中，烘箱中烘干温度为80℃，烘干时间为10～12h。
[0014]本专利技术还保护上述鳞片状石墨烯修饰的石墨毡电极的应用，所述鳞片状石墨烯修饰的石墨毡电极用于有机水相液流电池。
[0015]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。
[0016]相比于现有的技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0017]本专利技术的方法利用浓硫酸与KOH溶液的混合液作为电化学预处理石墨毡的电解液，通过调控合适的电压与时间，有效改善了石墨毡电极碳纤维的表面粗糙型和亲水性，使得碳纤维表面得到有效激活，有利于后期鳞片状石墨粉在其表面的吸附沉积。另外，鳞片状石墨粉具有优异的导电性，且利用超声波分散仪对鳞片状石墨粉进行粉碎处理，减小了鳞片状石墨粉的厚度与尺寸，厚度的减小增强了鳞片状石墨粉的导电性，尺寸的较小有利于鳞片状石墨粉能够更好的在碳纤维表面进行吸附沉积。本专利技术电极的改性处理方法，过程简单，处理效率高，制备的石墨毡电极具有较佳的电化学活性且性能稳定。具有如下优点：
[0018](1)本专利技术使用的电化学方法对石墨毡进行预处理，通过对电解液溶质、浓度及电压、时间的调控，可以有效的激活石墨毡电极表面以利于吸附沉积石墨粉，而且也不会引起石墨毡电极材料内部碳纤维的断裂，避免了因纤维断裂而导致电极材料内阻增大的缺点。
[0019](2)本专利技术采用超声波分散仪对鳞片状石墨粉进行厚度减薄与尺寸较小的处理，工艺可控且操作性强，处理后的石墨粉的鳞片缀饰在预处理后表面粗糙的碳纤维表面，增强了石墨毡的导电性，同时增大了石墨毡的比表面积，使得电极材料表面电化学活性位点的数量增多，有利于在电极表面进行的氧化还原反应的发生，从而提高电池的性能。
[0020](3)本专利技术采用电化学的方法对石墨毡进行预处理及鳞片状石墨粉的修饰处理，工艺流程简单，成本低廉，更容易进行工业化的推广。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1中修饰前石墨毡电极表面的扫描电镜图；
[0022]图2为本专利技术实施例1中修饰后石墨毡电极表面的扫描电镜图；
[0023]图3为本专利技术实施例1中修饰前后石墨毡电极伏安循环测试曲线图；
[0024]图4为本专利技术的石墨毡电极用于液流电池后电池循环的电池比容量与电压关系图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用鳞片状石墨烯修饰石墨毡电极的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1：取一定量，浓度为98％的浓硫酸，逐滴加入到去离子水中，室温搅拌混合均匀，备用；另取KOH配置一定浓度的KOH溶液，备用；步骤2：将步骤1配置好的两种溶液按照1:1的比例混合均匀，用做电化学预处理石墨毡的电解液；取两块石墨毡分别作为正、负极，并在正负石墨毡电极两端施加一定的电压，电解一定时间，待电解完成后，取正负极石墨毡用去离子水超声冲洗，烘干，备用；步骤3：取一定量的鳞片状石墨粉置于DMF溶液中，利用超声波分散仪对鳞片状石墨粉进行高速搅拌及粉碎处理；处理完成后，取该鳞片状石墨烯粉的DMF分散液置于喷壶中，均匀喷涂在经步骤2处理的石墨毡两面，然后置于烘箱烘干，即得鳞片状石墨烯修饰的石墨毡电极。2.根据权利要求1所述的一种利用鳞片状石墨烯修饰石墨毡电极的方法，其特征在于，所述步骤1中，取2～5g，浓度为98％的浓硫酸，逐滴加入到200mL的去离子水中，室温搅拌混合均匀，备用；另取22.22～85.71g的KOH，配置浓度为10～30％的KOH溶液200mL，备用。3.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩红静，聂昌通，徐俊辉，姚圣鑫，武奕，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：