本发明专利技术公开了一种泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备泡沫镍电池电极的方法，包括以下步骤：（1）选用泡沫镍做碳纳米管化学气相沉积反应的催化与基底材料，对泡沫镍基底进行化学和超声清洁；（2）设置CVD反应装置，并在CVD反应装置中对泡沫镍基底直接进行碳纳米管的化学气相沉积生长，生长温度600-900℃时，该碳氢气体与载气的流量比为(10-40sccm):(100-400sccm)，生长压力在1-760Torr，生长时间1-30min。本发明专利技术的优点是对增强电池器件的性能起到了显著的作用，CNT-泡沫镍基底的比表面积和电化学活性有明显提高，基于CNT-泡沫镍基底的镍氢电池循环寿命性能显著改善。
【技术实现步骤摘要】
泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法
本专利技术属于碳纳米管应用领域，具体是指泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备泡沫镍电池电极的方法。
技术介绍
泡沫镍具有优异的催化活性、呈多孔结构、表面积大，在镍氢电池、超级电容器等多种电池能源器件中，泡沫镍是制备电池电极的重要材料。提高泡沫镍的催化活性、多孔性、导电性等，对于增强电池器件的性能有重要意义。碳纳米管（CNTs）具有典型的层状中空结构特征、较高的长径比、高机械强度、稳定的化学性质，使得它在电池能源器件领域的应用得到广泛关注和研究。因此,将CNTs与泡沫镍相结合，是提高相关电池能源器件性能的一条有效途径。目前，现有技术中，CNTs在与泡沫镍相关的电池器件中的应用主要有两种途径：第一种是将CNTs与电池活性材料混合干压或制成浆料涂覆到泡沫镍中，第二种是在泡沫镍表面生长CNTs，主要目的包括提高活性材料的导电性、增加泡沫镍的比表面积和活性等。在泡沫镍表面生长CNTs的应用中，制备结合性能优良的高质量CNT-基底结构是应用的关键，直接影响器件的机械、导电导热性能及寿命。在现有技术中，泡沫镍上生长CNTs的工艺中，常用的手段是先沉积一层催化剂，再经CVD进行CNTs生长。受CNTs生长机制的制约，因而这种方法存在一些固有缺陷，包括：1）在结构性能方面，CNT-催化金属薄膜-基底之间难以形成强烈有机的结合，在不同的应用条件冲击下，CNT薄膜易脱落，直接影响器件的性能和寿命；2）CNT-催化金属薄膜-基底结构的导电性能不佳，影响电子、能源等器件的性能；3）CNT-催化金属薄膜-基底结构的非紧密结合会造成较大的热耗散，不但会直接影响能源器件的效率等特性，还会加速器件的老化。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备泡沫镍电池电极的方法。通过该方法碳纳米管在泡沫镍基底上生长均匀、晶体性好、与基底结合力强且工艺步骤简单高效，从而提高了其作为泡沫镍电池电极的性能。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括以下步骤：（1）选用泡沫镍做碳纳米管化学气相沉积反应的催化与基底材料，对泡沫镍基底进行化学和超声清洁；（2）设置CVD反应装置，并在CVD反应装置中对泡沫镍基底直接进行碳纳米管的化学气相沉积生长，所述CVD反应装置包括管式炉、设置于管式炉一侧的进气通道、以及设置于管式炉另一端的真空抽气泵，将泡沫镍基底用耐高温托盘承载、放置在管式炉中间，用真空抽气泵将管式炉抽至压强<1Torr的真空状态，同时对管式炉进行加热，并向石英炉内通入载气，当管式炉加热温度达到600-900℃时，向炉中通入适当流量比的碳氢气体，该碳氢气体与载气的流量比为(10-40sccm):(100-400sccm)，并控制反应炉内的压力在1-760Torr，开始1-30min的碳纳米管生长，生长结束后，停止加热，关闭碳氢气源，维持载气通入，让反应炉降温至室温，取出样品。进一步设置是所述的步骤（1）和（2）之间还设置有泡沫镍基底的阳极化处理，选用酸性溶液，以泡沫镍基底为正极，选用耐腐蚀导体作负极，在两极间加以1-100V的固定电压，持续0.1-10分钟，阳极化处理后对泡沫镍基底进行化学、超声清洗。该阳极化处理的原理和优点是：阳极钝化反应发生在金属基地与电解液接触的表面上，金属基底作为阳极，通电后发生失电子的氧化反应，在外加电场影响下，金属离子自金属点阵中逸脱，并越过金属氧化物界面进入氧化膜，向外迁移或扩散，形成孔隙，化学方程式为：在电解液与金属表面形成氧离子，化学方程式为：氧离子以相反方向扩张，当与金属离子相遇时形成了金属氧化膜。由于阳极生成氧化膜的过程属于放热过程，在膜的柱状孔隙内通过的电流会遇到较大电阻，进而产生热能使槽内液体的温度持续升高，导致氧化膜发生化学溶解，其化学方程式为：当金属表面形成氧化物的速度小于其化学溶解的速度时，这一氧化膜便可在某一合适的电解参数下消失。因此调节电解参数可使金属在表面不改性的情况下，只改变表面形貌。金属离子从表面脱逸后可形成纳米级的凹凸面，有利于CNTs的均匀生长，并实现碳纳米管和基底的强结合。该技术的创新在于对金属基底阳极化后、用CVD直接生长的CNT的均匀性和与基底的附着性显著改善。工艺的关键在于控制阳极化条件，达到仅改变金属基底表面形貌、增大金属比表面积，而不使其表面改性。进一步设置是所述的碳氢气体为乙炔、甲烷、乙烯等。进一步设置是所述的步骤（2）中碳纳米管的生长温度为625℃，生长压力为30Torr，生长时间10min。本专利技术的基本原理是利用泡沫镍本身的镍催化功能，使碳氢气体在泡沫镍基底上直接催化分解出碳原子并生长形成碳纳米管。通过本专利技术的工艺参数，控制碳氢气体的类型、气体流量、生长压力、反应温度等因素，制备与基底结合性能优异的CNT-泡沫镍结构。本专利技术的方法的有益效果有：1）CNTs与泡沫镍基底结合性能好。在适当的工艺条件下，CNTs可从泡沫镍内部长出，与基底有机而非常强烈地结合，机械性能优异，有利于改进器件的性能和寿命；2）本专利技术所述制备的CNT-泡沫镍结构导电性能优异、热耗散低，改善了器件的电学、热学等性能；3）能够在泡沫镍多孔结构内部均匀生长CNTs,，有效提高泡沫镍基底的比表面积和催化活性；4）工艺简洁，省略了金属沉积步骤，便于工业化应用。下面结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术做进一步介绍。附图说明图1本专利技术具体实施例所述制备的碳纳米管在泡沫镍基底上SEM50倍放大形貌图；图2本专利技术具体实施例所述制备的碳纳米管在泡沫镍基底上SEM1000倍放大形貌图；图3本专利技术具体实施例所述制备的碳纳米管在泡沫镍基底上SEM20000倍放大形貌图；图4基于本专利技术所制备的CNT-泡沫镍的镍氢电池负电极截面SEM图；图5纯泡沫镍和本专利技术所述制备的CNT-泡沫镍材料的循环伏安特性比较图；图6（a）CNT-泡沫镍电池与纯泡沫镍电池的放电曲线图；图6（b）CNT-泡沫镍电池与纯泡沫镍电池两种电池的充放电循环寿命图；图7基于不同泡沫镍基底的镍氢电池EIS曲线图。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术进行具体的描述，只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述专利技术的内容对本专利技术作出一些非本质的改进和调整。实施例在该CVD反应装置中进行含镍金属基底上直接生长碳纳米管并制备镍氢电池电极的方法，包括以下步骤：（1）对含镍金属基底进行化学、超声清洗，本实施例该含镍金属基底为泡沫镍；（2）设置CVD反应装置，并在CVD反应装置中对含镍金属基底进行碳纳米管的化学气相反应生长，所述CVD反应装置包括石英加热炉、设置于石英加热炉一侧的进气通道、以及设置于石英加热炉另一端的真空抽气泵，将含镍金属基底用石英托盘承载、放置在石英加热炉中间，用真空抽气泵将石英加热炉抽至压强<1Torr的真空状态，同时对石英加热炉进行加热，并向石英炉内通入载气，当石英加热炉加热温度达到625℃时，向炉中通入适当流量比的碳氢气体，该碳氢气体与载气的流量比为20sccm:200sccm，并控制反应炉内的压力在0.5Torr，开始10min的碳纳米管生长，生长结束后，停止加热，关闭碳氢气源，维持载气通入本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)选用泡沫镍做碳纳米管化学气相沉积反应的催化与基底材料，对泡沫镍基底进行化学和超声清洁；(2)设置CVD反应装置，并在CVD反应装置中对泡沫镍基底直接进行碳纳米管的化学气相沉积生长，所述CVD反应装置包括管式炉、设置于管式炉一侧的进气通道、以及设置于管式炉另一端的真空抽气泵，将泡沫镍基底用耐高温托盘承载、放置在管式炉中间，用真空抽气泵将管式炉抽至压强<1 Torr的真空状态，同时对管式炉进行加热，并向石英炉内通入载气，当管式炉加热温度达到600‑900℃时，向炉中通入适当流量比的碳氢气体，该碳氢气体与载气的流量比为(10‑40sccm) : (100‑400sccm)，并控制反应炉内的压力在1‑760Torr，开始1‑30min的碳纳米管生长，生长结束后，停止加热，关闭碳氢气源，维持载气通入，让反应炉降温至室温，取出样品。
【技术特征摘要】
1.一种泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)选用泡沫镍做碳纳米管化学气相沉积反应的催化与基底材料，对泡沫镍基底进行化学和超声清洁；(2)设置CVD反应装置，并在CVD反应装置中对泡沫镍基底直接进行碳纳米管的化学气相沉积生长，所述CVD反应装置包括管式炉、设置于管式炉一侧的进气通道、以及设置于管式炉另一端的真空抽气泵，将泡沫镍基底用耐高温托盘承载、放置在管式炉中间，用真空抽气泵将管式炉抽至压强<1Torr的真空状态，同时对管式炉进行加热，并向石英炉内通入载气，当管式炉加热温度达到600-900℃时，向炉中通入适当流量比的碳氢气体，该碳氢气体与载气的流量比为(10-40sccm):(100-400sccm)，并控制反...
【专利技术属性】
技术研发人员：董长昆，谢非，翟莹，钱维金，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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