[发明专利]一种锌碘液流电池用碳毡复合电极材料的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种锌碘液流电池用碳毡复合电极材料的制备方法及应用，所述碳毡复合电极材料具体由碳纤维毡基体与二硫化钼催化剂组成。制备方法是首先对碳纤维毡进行氧化处理，提高碳纤维毡表面的活性位点以及亲水性，然后以钼源、硫源为前驱体，通过溶剂热法合成二硫化钼纳米片，并实现二硫化钼纳米片在碳纤维毡表面的原位生长。将碳毡复合电极材料应用于锌碘液流电池，碳纤维毡复合电极材料对锌碘液流电池的正极反应具有良好的催化性能，提高了正极的反应速率，降低了正极充放电的电极极化，提高了锌碘液流电池整体的能量效率。

技术领域

本发明涉及一种锌碘液流电池用新型碳毡复合电极材料的制备方法，属于电化学技术领域。

背景技术

液流电池是一种利用储存在电解液中的化学元素的价态变化实现能量储存与释放的电化学储能装置，适合于大规模储能，目前发展较为成熟的体系有全钒液流电池、锌溴液流电池等。锌碘液流电池采用价格低廉、资源广泛、环境友好的金属锌作为负极，溶解度高的碘盐作为正极，能量密度约三倍于全钒液流电池，在较大规模储能系统应用中具有很好的可行性和可操作性。但锌碘液流电池仍存在功率密度低，能量效率较小等缺点，制约了锌碘液流电池的实际产业化应用，这主要是由于商业化的碳纤维毡(GF)对I^-/I₃^-反应具有较低的电化学活性。

通过对电极的改性或修饰可以提高碳纤维毡电极的比表面积，增加活性位点，提高电极催化活性。对电极改性或修饰的方法大致可分为三类：一是碳纤维毡电极材料自身的改性(如热处理，酸处理，氮原子掺杂等)；二是碳纤维毡电极材料与碳纳米管、碳纳米纤维或者石墨烯复合；三是碳纤维毡电极材料表面负载金属或者金属氧化物等催化剂。其中，第一种方法对电极材料的活性提升有限；第二种方法需要价格昂贵的碳纳米管、石墨烯等，难以实际推广；催化剂的引入往往能大幅度降低正负极反应的过电位，提高电池的能量效率。

催化剂的催化性能取决于材料的微观形貌、尺寸大小以及均一性，对合成方法要求苛刻。因此，如何在碳纤维毡表面负载上形貌尺寸均一的催化剂并将其应用于锌碘液流电池仍需要进一步的研究。

发明内容

本发明的目的是解决如何在碳纤维毡表面负载上形貌尺寸均一的催化剂的问题，提高锌碘液流电池中碳纤维毡对正极I^-/I₃^-反应的电化学活性，提供一种锌碘液流电池用新型碳毡复合电极材料的制备方法及应用。

本发明的技术方案

一种锌碘液流电池用新型碳毡复合电极材料的制备方法，所述碳毡复合电极材料由碳纤维毡基体与二硫化钼催化剂组成，采用溶剂热方法实现二硫化钼纳米片在碳纤维表面的原位生长，具体制备过程如下：

步骤1.碳纤维毡清洁预处理：

碳纤维毡表面包含碳纤维毡石墨化过程中可洗涤去掉的杂质和疏水性油脂类附着物等，对碳纤维毡进行清洁预处理的目的是除去碳纤维毡表面的杂质。将原始碳纤维毡在丙酮中浸泡过夜，能够简单有效地除去杂质和油脂类附着物。浸泡完毕后，用去离子水、乙醇清洗数次，然后放入烘箱，真空烘干，备用。

步骤2.碳纤维毡表面氧化处理

配制含有过硫酸铵的稀硫酸溶液，将经过清洁预处理的碳纤维毡浸泡在上述溶液中进行氧化处理，处理后经去离子水洗涤、烘干，在马弗炉中进一步加热氧化。

所述稀硫酸体积百分数为5％～20％，所述过硫酸铵的浓度为50～300g/L。在过硫酸铵的稀硫酸溶液中氧化处理的时间为15～30min；马弗炉中进一步氧化加热处理温度为300～550℃，加热时间为20～60min。

步骤3.碳纤维毡表面原位负载二硫化钼纳米片

将经过上述步骤进行表面氧化处理的碳纤维毡浸泡在含有钼源和硫源的溶剂中，然后转移至衬有聚四氟内胆的反应釜中，在溶剂热条件下进行反应。