适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极及制备方法技术

本发明专利技术公开了适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极及制备方法，制备方法包括：将经预处理的碳基材料转移至真空制备室中，待制备室内压强稳定后，调节H2的气体流量至90sccm~120sccm，在100min~120min内，升温至800℃~950℃；升温结束后，以10sccm~60sccm的流量通入烯烃类气体，开启等离子体射频电源，以4min~8min为间歇时间，进行3次~15次等离子体沉积石墨烯纳米片，获得适用于多种液流电池体系的石墨烯电极材料。本发明专利技术获得的低成本高性能石墨烯改性电极，具有良好的电导率、比表面积、电化学活性、催化性能和稳定性，可应用于多种液流电池体系。电池体系。电池体系。

Graphene modified electrode suitable for various liquid flow battery systems and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极及制备方法


[0001]本专利技术属于液流电池电极材料
，具体涉及适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极及制备方法。

技术介绍

[0002]氧化还原液流电池包括全钒液流电池、铁铬液流电池、硫基液流电池、锌基液流电池和氧化还原有机分子组成的新型液流电池体系等，被广泛地应用于风能、太阳能发电过程的大规模储能设备。随着对各种液流电池的广泛研究，对电极材料的稳定性和导电性的要求与日俱增，但是，现阶段尚无商业化液流电池用电极材料。
[0003]目前通常采用对碳基材料进行改性处理的手段制备液流电池用电极材料，例如采用金属和/或金属氧化物修饰、杂原子掺杂等手段。目前的改性电极材料只能改善对单一的氧化还原电对的催化效果，难以适应于多种液流电池体系，导致液流电池在实际应用中存在电极材料成本高、工艺复杂、难以大规模批量生产的问题，严重限制了液流电池体系的商业化应用。
[0004]研究发现，石墨烯是一种以sp
²
杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，其具有优良的导电性，是电极改性材料的研究热点。现阶段的石墨烯改性电极工艺主要包括溶液涂覆、机械掺杂以及化学气相沉积等方法。但是经溶液涂覆、机械掺杂改性的石墨烯改性电极上存在难以控制石墨烯沉积量的问题，很难适应多种液流电池系统。传统的化学气相沉积法使用烯烃类气体在高温下裂解制备石墨烯，但是这种方法主要适用于铜、镍等金属基底，当使用碳基材料作为衬底时缺乏催化活性，生长出来的石墨烯质量差，而且会产生大量的副产物，并诱导产生无定形的碳污染物，导致其与水系电解液之间的界面能较高，这使得电解液很难浸入石墨烯片之间的沟道，在混合式三维结构中密集生长石墨烯片的侧壁及根部不能被充分润湿，这极大地限制了溶剂离子与电极材料的实际接触面积，使石墨烯的优势不能充分发挥，难以适应不同的液流电池体系。
[0005]综合上述，液流电池电极材料性能的优劣是影响液流电池大规模发展的核心技术之一，亟待研发高电导率和高催化活性的适应于多种液流电池体系的改性电极材料。

技术实现思路

[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极及制备方法，获得的低成本高性能石墨烯改性电极，具有良好的电导率、比表面积、电化学活性、催化性能和稳定性，以及提高多种氧化还原电对的可逆性等优点，可应用于多种液流电池体系，解决了现有技术中存在的碳基电极电导率差、化学活性低，以及石墨烯在碳基材料衬底中生长质量差的问题。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是，适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将经预处理的碳基材料转移至真空制备室中，开启真空泵，抽真空使制备
室内的真空度低于5Pa，待制备室内压强稳定后，以450sccm~500sccm的流量通入H2，清洗2~3min，然后调节H2的气体流量至90sccm~120sccm，使真空制备室压强达到30Pa~32Pa；步骤2：开启真空制备室加热电源，在100min~120min内，升温至800℃~950℃；步骤3：升温结束后，以10sccm~60sccm的流量通入烯烃类气体，真空制备室压强达到40Pa~42Pa后开启等离子体射频电源，以4min~8min为间歇时间，进行3次~15次等离子体沉积石墨烯纳米片；步骤4：沉积结束，停止通入烯烃类气体，停止等离子体沉积石墨烯纳米片和加热，调整H2的气体流量至60sccm~80sccm，使真空制备室压强为20Pa~22Pa，自然冷却至室温，获得适用于多种液流电池体系的石墨烯电极材料。
[0008]进一步地，步骤1中，预处理的碳基材料的预处理过程为：将碳基材料置于有机溶剂中浸渍2h~3h，所得产物经静置处理，得到经预处理的碳基材料。
[0009]更进一步地，碳基材料包括石墨毡、碳毡、碳布或碳纸；有机溶剂包括甲苯、苯乙烯、丁醇或丙二醇甲醚。
[0010]更进一步地，碳基材料在预处理前经清洗、超声、干燥处理。
[0011]进一步地，步骤3中，烯烃类气体包括甲烷或乙烯。
[0012]更进一步地，步骤3中，每次等离子体沉积石墨烯纳米片的时间与间歇时间相同。
[0013]更进一步地，步骤3中，每次等离子体沉积石墨烯纳米片的过程中，等离子体功率为600W~800 W。
[0014]本专利技术的另一专利技术目的，在于提供适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极，如上述适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极的制备方法制备而成。
[0015]本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术实施例以商业碳基材料为基础，首先经有机溶剂进行预处理，在碳基材料表面提供额外的碳量子点作为催化剂，从而改善碳纤维基底的催化活性，提高了后续步骤中烯烃气体的转换效率，提高了石墨烯的产量；然后以烯烃类气体作为碳源，H2作为还原剂，采用间歇式等离子体沉积技术进行碳基表面石墨烯的生长，通过控制间歇时间和沉积次数来调控石墨烯纳米片的尺寸和负载量，从而将不同尺寸大小、不同负载量的石墨烯纳米片均匀地沉积在碳基材料上，负载的石墨烯纳米片质量佳、片层数高、碳缺陷程度和形貌易于调控。
[0016]（2）本专利技术实施例制得的石墨烯改性电极材料的电导率高、比表面积大、稳定性好，同时还具有良好的亲水性，有效促进液流电池电极反应中活性离子的吸附/脱附反应；同时石墨烯改性电极材料还可以促进多种氧化还原电对的反应，提高电极催化活性，优化氧化还原液流电池的电池性能。
[0017]（3）本专利技术实施例适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极的制备方法原料和设备工艺成本低廉，制备流程简便、易于操作，有助于氧化还原液流电池的商业化用电极材料的大规模生产。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本专利技术实施例未经改性的原始碳基电极表面的SEM图。
[0020]图2为本专利技术实施例负载石墨烯纳米片的改性电极的SEM图。
[0021]图3为本专利技术实施例制备的石墨烯改性电极的拉曼光谱。
[0022]图4为本专利技术实施例制备的石墨烯改性电极的在硫酸氧钒中的循环伏安曲线。
[0023]图5为本专利技术实施例制备的石墨烯改性电极在硫化物中的循环伏安曲线。
[0024]图6为本专利技术实施例制备的石墨烯改性电极在铁氰化物中的循环伏安曲线。
[0025]图7为本专利技术实施例制备的石墨烯改性电极在碘化物的循环伏安曲线。
[0026]图8为本专利技术实施例制备的石墨烯改性电极在锌盐中的循环伏安曲线。
[0027]图9为本专利技术实施例制备的石墨烯改性电极在高锰酸化合物中的循环伏安曲线。
[0028]图10为本专利技术实施例制备的石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将经预处理的碳基材料转移至真空制备室中，开启真空泵，抽真空使制备室内的真空度低于5Pa，待制备室内压强稳定后，以450sccm~500sccm的流量通入H2，清洗2~3min，然后调节H2的气体流量至90sccm~120sccm，使真空制备室压强达到30Pa~32Pa；步骤2：开启真空制备室加热电源，在100min~120min内，升温至800℃~950℃；步骤3：升温结束后，以10sccm~60sccm的流量通入烯烃类气体，真空制备室压强达到40Pa~42Pa后开启等离子体射频电源，以4min~8min为间歇时间，进行3次~15次等离子体沉积石墨烯纳米片；步骤4：沉积结束，停止通入烯烃类气体，停止等离子体沉积石墨烯纳米片和加热，调整H2的气体流量至60sccm~80sccm，使真空制备室压强为20Pa~22Pa，自然冷却至室温，获得适用于多种液流电池体系的石墨烯电极材料。2.根据权利要求1所述的适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述预处理的碳基材料的预处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁美，伏虎，贾传坤，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：