[发明专利]一种氮掺杂石墨烯改性碳毡的制备方法

说明书

本发明涉及全钒氧化还原液流电池(VRB)用电极材料领域，具体是一种适用于全钒氧化还原液流电池的高性能氮掺杂石墨烯改性碳毡的制备方法，解决现阶段钒电池用商业化碳毡电极电导率差、比表面积低、电化学活性低、钒离子电对催化性能差及单电池性能低和成本高等问题。本发明以商业化碳毡为原料，利用化学气相沉积(CVD)的方法，制备氮掺杂石墨烯改性碳毡。本发明制备的复合碳毡具有良好的电导率、高比表面积、良好的电化学催化性能、优越的化学稳定性和良好的VRB电池性能和低成本等优点。本发明的制备方法具有操作简单易行，产品成本低廉，易于产业化生产和环境友好等优点，可广泛地应用于全钒氧化还原液流电池领域。

技术领域：

本发明涉及全钒氧化还原液流电池(VRB)用电极材料领域，具体是一种适用于全钒氧化还原液流电池的高性能氮掺杂石墨烯改性碳毡的制备方法。

背景技术：

随着全球人口的快速增长和经济的高速发展，能源危机日益严重。开发新能源是解决能源危机的有效途径。可再生清洁能源因为环境友好和可持续性是目前科学研究和工业开发的热点。风能和太阳能等可再生能源发电过程显现出不连续性和不稳定性的缺点。为此，亟待开发高效、环保、低成本和安全可靠的大规模储能技术。全钒氧化还原液流电池(VRB)因其功率和能量独立、设计简单灵活、循环寿命长、可快速充放电、运行成本低等优点，而被广泛地应用于风能、太阳能发电过程的大规模储能设备。同时，VRB近几年也是电站储能、电网调峰等领域广泛试用的大规模储能技术。然而，目前钒电池商业化进展受到高成本的制约。其中，电极材料是决定电堆成本高低的关键因素。一种适用于钒电池的电极材料应具备优良的电导率、高比表面积、优越的电化学活性和成本低廉等优点。传统金属材料电极的电化学可逆性差，且易被酸性电解液钝化；而铂、铱等贵金属虽然具有电化学活性高、催化性能好和化学稳定性好等优点，但这类材料价格昂贵，制约其在钒电池中大规模应用。现阶段，钒电池应用最广泛采用的电极材料为碳类材料，如：石墨毡、石墨、碳布和碳纤维等。然而，这类碳材料直接应用过程中存在电导率低，电化学活性差以及电池性能差等问题。鉴于此，必须对此类碳基材料进行改性处理，以提高电极的电导率和电化学活性。截至目前，仍然没有一种合适方法能够解决这些关键问题。

发明内容:

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于钒电池的氮掺杂石墨烯改性碳毡的制备方法，解决现有技术中存在的碳毡电导率差、化学活性低、比表面积低、稳定性差、在VRB中钒离子电对催化性能差以及造成VRB单电池性能低和成本高等问题。采用该方法可获得低成本高性能的复合碳毡，其具有电导率高、比表面积高、电化学活性高、对钒离子催化性能好、稳定性好，以及VRB电池应用中性能好等优点。

本发明的技术方案是：

一种氮掺杂石墨烯改性碳毡的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

(1)将干燥处理的碳毡浸泡在酸溶液中，经常温浸泡和超声震荡；其中，在酸溶液中浸泡碳毡的时间为18～24h，超声震荡时间为0.5～1.5h；

(2)将步骤(1)中的碳毡，反复用去离子水清洗；

(3)将清洗后的碳毡进行干燥处理；

(4)将步骤(3)中的碳毡放入管式腔体中，并将管式腔体推至加热炉中心加热区域；

(5)将管式腔体密封，关闭空气阀门，随后开启真空泵抽真空，直至管式腔体的真空度低至30～50Pa；

(6)开启高纯氮气阀门，调整气体流量为4～8sccm进行管式腔体的冲洗；

(7)冲洗完毕后，关闭N₂阀门，抽真空，直至真空度低至1～4mbar；

(8)开启CH₄阀门和NH₃阀门，调整气体流量为8～12sccm，加热管式腔体至第一目标温度，第一目标温度为700±10℃，升温时间为40～50min；