硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极及其制备方法技术

一种硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极及其制备方法，制备步骤如下：s1、将氧化石墨烯加入去离子水中配置成1mg/ml‑5mg/ml的溶液，超声振荡分散后进行磁力搅拌，加入硫脲和还原剂得到混合溶液并调节pH至pH＝7.8‑8.5，继续搅拌得到均匀稳定的悬浮液；s2、将悬浮液转移至反应釜中，密封后放入恒温干燥箱内，在170℃‑220℃温度下加热10h‑14h，待自然冷却后取出，对反应釜内悬浮液进行真空抽滤后洗涤并干燥，即得到硫氮共掺杂石墨烯；s3、将硫氮共掺杂石墨烯溶于有机分散剂中配置成1mg/ml‑5mg/ml的溶液，经超声振荡和磁力搅拌获得均匀稳定的硫氮共掺杂石墨烯悬浮液，然后将洗净的石墨毡电极放入悬浮液中浸泡20‑48h后干燥，将干燥后的石墨毡电极置于管式炉内在700℃‑1100℃温度下热处理2h‑5h，即得。

【技术实现步骤摘要】
硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极及其制备方法
本专利技术涉及一种石墨毡复合电极及其制备方法，尤其涉及一种硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极及其制备方法。
技术介绍
钒氧化还原液流电池(VRFB)具有寿命长、能量利用率高等优点，是一种很有发展前途的大型储能系统。电解液、电极和膜是VRFB的三个主要组成部分。膜分离侧电极上氧化还原反应的迟钝性在一定程度上限制了VRFB的发展。与V2+/V3+氧化还原反应相比，VO2+/VO2+氧化还原反应特别缓慢。因此，需要具有高电催化性能的催化剂材料来提高VO2+/VO2+氧化还原偶的电化学活性。化学掺杂被认为是通过调节电子态来打破碳层惰性和改变化学电子性质的一种有效途径。碳骨架中的杂原子取代掺杂可以调节碳材料的化学性质，产生新的活性中心，进一步提高碳材料的电催化活性，而且不同电负性的多元素共掺杂可以产生独特的电子分布。Liu等人报道了B和N共掺杂的碳纳米纤维对VO2+/VO2+氧化还原偶联具有优异的电化学活性，这比N或B单掺杂的碳纳米纤维要好。Flox等人用NH3/O2混合气体热化学处理改性聚丙烯腈基石墨毡。将含氮和含氧基团引入石墨毡表面，所引入的基团可以促进通过电解质/电极界面的电子转移，用于氧化和还原过程。但现有方法存在着成本高、掺杂含量低、催化性能不高、制备方法复杂等缺点，因此亟需开发可通过简单方法制备，性能优异的石墨毡复合电极。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种性能优异、制备方法简单、可实现大批量生产的复合石墨毡电极及其制备方法，该石墨毡电极能够提高阳极反应氧化还原电流、增强电化学可逆性并降低电荷传输阻抗，具备提升全钒液流电池性能的潜力。本专利技术实现其专利技术目的所采取的技术方案是：一种硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极及其制备方法，制备方法步骤如下：s1、将氧化石墨烯加入去离子水中配置成1mg/ml-5mg/ml的溶液，超声振荡分散后进行磁力搅拌，搅拌过程分别加入硫脲和足量的还原剂，得到混合溶液，其中硫脲与氧化石墨烯的质量比为8:1-13:1，然后滴入酸碱调节剂调节混合溶液的pH至pH＝7.8-8.5，继续搅拌得到均匀稳定的悬浮液；s2、将悬浮液转移至反应釜中，密封后放入恒温干燥箱内，在170℃-220℃温度下加热10h-14h，待自然冷却后取出，对反应釜内悬浮液进行真空抽滤后依次用乙醇及去离子水洗涤并干燥，即得到硫氮共掺杂石墨烯；s3、将硫氮共掺杂石墨烯溶于有机分散剂中配置成1mg/ml-5mg/ml的溶液，经超声振荡和磁力搅拌获得均匀稳定的硫氮共掺杂石墨烯悬浮液，然后将洗净的石墨毡电极放入硫氮共掺杂石墨烯悬浮液中浸泡20h-48h后干燥，将干燥后的石墨毡电极置于管式炉内进行活化处理，即得；所述活化处理的具体操作是在氮气氛围中，700℃-1100℃温度下热处理2h-5h。本专利技术的原理及有益效果是：本专利技术首先将氧化石墨烯、硫脲和还原剂混合，调节pH后并搅拌获得均匀稳定的悬浮液后转移至反应釜中，在170-220℃温度下对反应釜进行加热，加热过程中氧化石墨烯通过与硫脲分解的产物反应完成S和N的掺杂和对石墨烯的部分还原，具体包括：硫脲经加热分解为高反应性的富含N/S元素的物质，如NH3、H2S等；H2S与氧化石墨烯中的含氧官能团反应,硫被氧化成更高的价态，并以共价键形式修饰到到石墨烯上生成-SO3H；NH3与氧化石墨烯中的氧官能团反应形成C-N键修饰到石墨烯上。在S和N的掺杂过程中，硫脲的分解产物NH3、H2S等与还原剂共同起到还原氧化石墨烯的作用，使得氧化石墨烯脱去含氧官能团，最终得到硫氮共掺杂还原氧化石墨烯(简称硫氮共掺杂石墨烯)。然后石墨毡电极放入硫氮共掺杂石墨烯悬浮液中使得硫氮共掺杂还原氧化石墨烯通过物理吸附修饰在石墨毡上。然后通过活化处理，获得性能优异的硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极。其中，硫氮共掺杂石墨烯是本专利技术的关键，将氧化石墨烯、硫脲和还原剂混合后，调节pH，试验表明调节pH至7.8-8.5可以使得还原反应进行的更彻底，氧化石墨烯的还原效果最佳。然后申请人经过大量试验选择将氧化石墨烯、还原剂和硫脲放在密封的反应釜中进行该反应，反应的过程会产生气体，造成反应釜中呈高温高压的反应环境，高温高压下会加快分子热运动，有利于材料充分接触和反应，同时密封的反应釜也可以减少有效成分的挥发，有利于氧化石墨烯的还原反应和硫氮元素的掺杂。总之，本专利技术通过一次性反应实现了NS元素的掺杂和氧化石墨烯的还原，不仅极大的节约了成本和时间，而且两种反应同时进行获得的实验结果远远优于单独进行的效果，以上结论是申请人经过大量试验发现，还无法从反应微观层面具体解释原因。另外，本专利技术在完成硫氮共掺杂还原氧化石墨烯对石墨毡的修饰后，通过700℃-1100℃的活化处理一方面提高了石墨毡的碳化程度，有利于提高石墨毡电极的电导率，从而改善全钒液流电池氧化还原反应中的电子传递特性，使得电极表面的电化学反应进程加快，另一方面，经实验验证，700℃-1100℃的活化处理既可以使得硫氮掺杂还原氧化石墨烯更好地固定在石墨毡上，又可以促进杂原子进入材料中，使得硫氮掺杂更均匀，掺杂效果更好。综上，本专利技术用硫脲为掺杂源掺杂硫氮，用还原剂还原氧化石墨烯，以更加环保的多元掺杂为特点，制备了氮和硫共掺杂的还原氧化石墨烯，并将其修饰在石墨毡电极表面用于提高全钒液流电池石墨毡电极的性能，获得了性能优异的石墨毡复合电极。硫氮共掺杂还原氧化石墨烯修饰的石墨毡复合电极相比于现有的石墨毡电极不仅具有更大的表面积，为电化学反应提供了更多的活性位点，而且氮元素和硫元素对钒离子更具吸引力，氮元素和硫元素的引入可大大提高石墨毡电极的功率密度，有利于电极在电化学反应中的传质速率。总之，将硫氮共掺杂还原氧化石墨烯修饰于石墨毡电极增强了石墨毡电极的电化学活性和可逆性，降低了电荷转移电阻，使得电极拥有更高更稳定的电化学活性和可逆性，为提高全钒液流电池石墨毡电极性能提供一种简单可行的处理方法，从而提升全钒液流电池的整体性能，促进全钒液流电池在储能领域的推广应用。扫描电镜、循环伏安等表征结果也证明了本专利技术制备的石墨毡复合电极拥有更高更稳定的电化学活性，电极性能显著提高。且本专利技术整个制备过程中没有复杂处理过程，制备时间短，过程简单，成本低，效率高，所需能源消耗少，可实现大批量生产，促进了全钒液流电池在储能领域的推广应用。本专利技术制备的石墨毡复合电极解决了现有技术制备方法复杂、掺杂含量低、催化性能不高等缺点，充分说明本研究电极有望在商业化道路上具有更广阔的前景。进一步，本专利技术所述步骤s1中将氧化石墨烯加入去离子水中配置成2mg/ml的溶液。浓度过低会导致石墨毡吸附的材料太少，不能起到良好的电催化作用，且电极耐循环性差。浓度过高，吸附的材料可能堵住石墨毡孔结构阻碍钒离子的氧化还原反应，经实验验证，2mg/ml溶液浓度所取得的技术效果最好进一步，本专利技术所述步骤s1中的还原剂为L-抗坏血酸，加入的还原剂与氧化石墨烯的质量比为5:1-10:1。L-抗坏血酸对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极的制备方法，其步骤如下：/ns1、将氧化石墨烯加入去离子水中配置成1mg/ml-5mg/ml的溶液，超声振荡分散后进行磁力搅拌，搅拌过程分别加入硫脲和足量的还原剂，得到混合溶液，其中硫脲与氧化石墨烯的质量比为8:1-13:1，然后滴入酸碱调节剂调节混合溶液的pH至pH＝7.8-8.5，继续搅拌得到均匀稳定的悬浮液；/ns2、将悬浮液转移至反应釜中，密封后放入恒温干燥箱内，在170℃-220℃温度下加热10h-14h，待自然冷却后取出，对反映釜内悬浮液进行真空抽滤后依次用乙醇及去离子水洗涤并干燥，即得到硫氮共掺杂石墨烯；/ns3、将硫氮共掺杂石墨烯溶于有机分散剂中配置成1mg/ml-5mg/ml的溶液，经超声振荡和磁力搅拌获得均匀稳定的硫氮共掺杂石墨烯悬浮液，然后将洗净的石墨毡电极放入硫氮共掺杂石墨烯悬浮液中浸泡20h-48h后干燥，将干燥后的石墨毡电极置于管式炉内进行活化处理，即得；所述活化处理的具体操作是在氮气氛围中，700℃-1100℃温度下热处理2h-5h。/n

【技术特征摘要】
1.一种硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极的制备方法，其步骤如下：
s1、将氧化石墨烯加入去离子水中配置成1mg/ml-5mg/ml的溶液，超声振荡分散后进行磁力搅拌，搅拌过程分别加入硫脲和足量的还原剂，得到混合溶液，其中硫脲与氧化石墨烯的质量比为8:1-13:1，然后滴入酸碱调节剂调节混合溶液的pH至pH＝7.8-8.5，继续搅拌得到均匀稳定的悬浮液；
s2、将悬浮液转移至反应釜中，密封后放入恒温干燥箱内，在170℃-220℃温度下加热10h-14h，待自然冷却后取出，对反映釜内悬浮液进行真空抽滤后依次用乙醇及去离子水洗涤并干燥，即得到硫氮共掺杂石墨烯；
s3、将硫氮共掺杂石墨烯溶于有机分散剂中配置成1mg/ml-5mg/ml的溶液，经超声振荡和磁力搅拌获得均匀稳定的硫氮共掺杂石墨烯悬浮液，然后将洗净的石墨毡电极放入硫氮共掺杂石墨烯悬浮液中浸泡20h-48h后干燥，将干燥后的石墨毡电极置于管式炉内进行活化处理，即得；所述活化处理的具体操作是在氮气氛围中，700℃-1100℃温度下热处理2h-5h。


2.根据权利要求1所述的一种硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中将氧化石墨烯加入去离子水中配置成2mg/ml的溶液。


3.根据权利要求1所述的一种硫氮共掺杂石墨烯修饰的石墨毡复合电极的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中的还原剂为L-抗坏血酸，加入的还原剂与氧化石墨烯的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，孙红，王俊楠，白桉裕，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21