[发明专利]一种活化处理商用碳纤维布的方法

说明书

本发明公开的一种活化处理商用碳纤维布的方法，步骤包括：以商用碳布为原料，将经过表面清洁的碳布置于马弗炉中，在400～500℃的空气气氛中活化处理一定时间后，即可得到活化的商用碳布。本发明首次利用大气环境直接对碳布进行活化处理，无需任何惰性气体保护和气氛及溶液处理，活化工艺过程环保、可控，操作极其简便，生产成本低廉，适用于大规模产业化生产。经活化处理后的柔性商用碳布材料可直接作为可穿戴式新型电池或柔性超级电容器的电极或集流体使用，同时有望作为催化剂或吸附剂的载体、氧化降解材料、脱硫或空气净化材料等，在电子器件、能源及环境领域获得应用。

技术领域

本发明涉及商用碳布活化领域，具体涉及一种活化处理商用碳纤维布(简称‘商用碳布’)的工艺方法，尤其是能大规模在产业化生产中应用的活化商用碳布的方法。

背景技术

随着科技的发展，人们对可穿戴式电子器件的需求空前高涨，开发可给该类电子器件供能的柔性储能器件尤为重要。超级电容器作为一种新型的储能器件，兼具传统电容器和二次电池的优点，在各领域有着广泛且深远的应用前景。柔性超级电容器具备更高的能量密度，更快的充放电速度，更长的循环稳定性，受到诸多学者的关注，成为当今研究的热点之一。而制备满足实际需求，又简便可控价廉的超级电容器面临着巨大的挑战。超级电容器的三大电极材料为碳基材料、金属氧化物，以及导电聚合物。一方面，在这三大类材料中，金属氧化物和导电聚合物虽然具有很高的比电容、高功率密度，但普遍价格昂贵、循环性能和稳定性差，且易造成环境污染。而碳基材料因具有来源丰富、比表面积大、导电性良好、功率密度高和成本低廉等优点，是商业化的超级电容器主要的电极材料。另一方面，为了制备柔性的超级电容器，许多工作者将活性材料、电解质、粘结剂、导电剂、隔膜、集流体、封装体等结合起来组成一个器件，对于整个器件来说，活性材料在其中所占的比例很少。从而导致基于整个装置的电容很小，不能满足实际的需求。如发明专利CN104795251A公开了一种超级电容器的制备方法，该方法能够得到一种高比表面积的海藻硅酸盐基多孔碳粉末。由于该材料形态为粉末，无法直接用于柔性器件。而许多直接在基底上生长形成柔性器件的薄膜也由于使用的基底比表面积小活性物质质量少，导致整个器件的电容很小。因此，高性价比柔性电极材料的开发，并使之走出实验室、实现产业化生产是目前科研人员最需解决的关键性问题。

商用的碳纤维布是一种含碳量在95％以上通过传统方式制得的碳材料纺织物。商用的碳布不仅具有碳材料本征的属性，同时又具备了纺织品柔韧性、可加工性、高比强度、很好的抗蠕变性能、低密度、良好的热稳定性和化学稳定性、较低的热膨胀系数以及较高的电传导性等优异性能，在研究中被大量广泛作为柔性电极的基底材料或集流体。在诸多研究中，不同的无机材料已经能够成功在商用的碳纤维布上生长纳米结构，从而提高复合材料的电化学性能，显示出巨大的商业潜力。如专利ZL01010610593.5中公开了一种在碳布上生长碳纳米颗粒的方法，该方法可以在碳布上生产均匀的碳纳米颗粒，用于制备柔性场致电子发射冷阴极器件。又如专利CN102087921A公开的一种自支撑超级电容器电极材料及其制备方法，氧化锰直接在碳纳米纤维上生长，形成自支撑柔性电极复合材料。然而，由于商用的碳纤维布表面光滑、比表面积很小，而且其本身呈现出化学惰性，因此商用碳布的比电容(1～2F﹒g^-1,～10mF﹒cm^-2)远远低于其他的一些碳材料，例如：石墨烯(100～200F﹒g^-1)、单壁碳纳米管(100～200F﹒g^-1)等。正是由于这一系列的原因，产业化生产和实验室研究中很少将商用碳布直接作为电极材料使用，这显然极大限制了对商用碳布的应用。因此，非常有必要采用合适的方法对商用碳布进行活化，提高其粗糙度，使得被活化的商用碳布具有较大的比表面积，适当的官能团，从而使得商用碳布能够直接作为具有良好电化学性能的柔性电极材料使用。目前有较多的碳布活化处理方法，如专利CN104562631A采用电化学阳极氧化的表面处理方法进行活化碳布，CN05869923A采用溶液浸渍重结晶的方法实现活化开孔，提高碳纤维表面的活性和粗糙度。其他还有气相氧化、液相氧化、等离子体处理、气相沉积、电化学沉积等。但几乎所有的方法都需要进行试剂或气氛的配比调节和惰性气体保护，处理工艺较为繁琐，成本高、容易对纤维本体造成损伤，使得材料综合性能下降。