[发明专利]碳膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面处理技术，特别是涉及碳膜及其制备方法。

背景技术

熔盐电化学是研究直流通过熔盐而引起的化学变化以及因化学变化而在熔盐中产生电流的一门科学，或者说，熔盐电化学是研究熔盐电解和熔盐电池的一门科学，因此，熔盐电化学因熔盐电解的出现而诞生。早在19世纪已有不少科学家在熔盐电化学领域中取得了辉煌的成就，如Davy从碱金属氯化物熔体中得到碱金属，Faraday用卤化铅熔体建立了电解定律。至20世纪，熔盐电化学广泛应用于能源（如熔融碳酸盐燃料电池，Molten Carbonate Fuel Cells，简称MCFC）、化学制备和材料制备等方面。20世纪40~50年代，发现了室温熔盐。目前采用熔盐电解法得到的金属达六十余种，即世界上绝大多数的金属是由熔盐电解法生产的。从理论上说，任何活泼的金属或元素，都可以采用熔盐电解法制取。

与其他方法相比熔盐电沉积不需要准备难熔金属和非金属粉末，使得制造难熔金属化合物的工艺变得非常简单；此方法是原子级别，所以温度更低；可以选择更便宜的合成难熔金属化合物的原材料；能控制合成过程和沉积物形式，从而可以得到不同分散程度的粉末和涂层；熔盐电解是一种有效回收难熔金属及其合金的方法；能在复杂构件和大的基材上沉积无孔、致密、连续、塑性的纯难熔金属涂层。

碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。常温下单质碳的化学性质比较稳定，不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。碳有多种同素异构体，因此具有许多特殊的性质，甚至完全相反的性质，如最硬（金刚石）——最软（石墨）；全吸光（石墨）——全透光（金刚石）；绝缘体（金刚石）——半导体（石墨）——良导体（石墨烯）。其中无定形碳由于具有极大的表面积，被用来吸收毒气、废气。而现在所用的锂离子电池的负极材料主要也是无定形碳。

一般地，制备碳膜的方法大体可以分为物理气相沉积法和化学气相沉积法，但是这些方法都需要大型设备，成本较高，并且气相沉积法在反应过程中会产生有害物质，污染环境，且难以得到纯净的单一的完整剥离基板的碳膜。

发明内容

基于此，有必要提供一种设备简单、成本低廉、对环境友好且纯净完整的碳膜及其制备方法。

一种碳膜的制备方法，包括以下步骤：

以基板为阴极，石墨为阳极，以Li₂CO₃和K₂CO₃的共晶盐为碳源；在惰性气体保护下升温至650~800℃，于40-300mA/cm²恒电流下反应0.5-2小时，即在基板上得到碳膜；以摩尔百分含量计，所述共晶盐的组成为：Li₂CO₃61-63%、K₂CO₃37-39%。

本发明的原理是：在碳膜的制备过程中涉及三个过程，即作为碳源的Li₂CO₃的CO₃^2-首先被还原成CO₂^2-，之后CO₂^2-被还原成C，反应方程式如下：

CO₃^2-+2e=CO₂^2-+O^2-    (1)

CO₂^2-+2e=C+2O^2-    (2)

为了避免在反应过程中发生氧化等副反应，通入惰性气体进行保护。

在其中一个实施例中，所述共晶盐的组成为：Li₂CO₃62%、K₂CO₃38%。

在其中一个实施例中，反应条件为：在惰性气体保护下升温至650℃，于100mA/cm²恒电流下反应1小时。

在其中一些实施例中，还包括将沉积有碳膜的基板浸泡在0.8-1.2M的H₂SO₄中，剥离碳膜的步骤。

在其中一个实施例中，所述H₂SO₄的摩尔浓度为1M。