[发明专利]一种表面功能化碳纤维布电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种表面功能化碳纤维布电极材料的制备方法，将清洗过后的碳布放入强氧化和强腐蚀的混合溶液中处理一段时间，通过电化学性能测试，比较电极的比电容值，确定最优处理时间为18h，最后得到表面接枝有大量的含氧官能团的碳布，作为柔性超级电容器的电极使用。通过本发明制备的电极材料表现出优异的电化学性能，当电流密度为1mA/cm²时，碳布(OCC)电极的面积比电容高达588mF/cm²，更为重要的是，OCC电极在中性Na₂SO₄电解液中，拥有超级宽的工作电压范围，达到惊人的‑1.2‑1.2V，因此，不论是作为对称型超级电容器还是非对称型超级电容器的电极使用，都能够有效增加超级电容器器件的工作电压范围。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体为一种表面功能化碳纤维布电极材料的制备方法。

背景技术

碳材料由于其具有容易获得、价格相对低廉、良好的化学稳定性和热稳定性、较高的比表面积、优异的导电性以及在电化学反应过程中，优异的循环稳定性和良好的倍率性能等一系列优点，在储能领域作为负极材料或者导电添加剂被广泛应用，例如碳纳米管、乙炔黑、石墨烯、活性炭、生物质炭和碳纤维等。但是单独碳材料的使用往往性能较为单一，多数碳材料在电化学反应过程中适宜的工作电压范围在-1.0-0V内，因此可以作为单电极材料使用，制备对称型的超级电容器(正负极均为碳材料，即双电层电容超级电容器)，具有输出功率密度髙、稳定性好、循环寿命长等优点，但是相对于混合型超级电容器来说(双电层电容活性材料和法拉第赝电容活性材料的混合使用，即非对称型超级电容器)，它的工作电压较低，比电容较低，因此超级电容器的能量密度较低。为了充分利用碳材料的优势，科硏工作者对其给予了广泛的关注和研究，做出了不懈的努力，来制备不同种类的具有优异电化学性能的碳基复合电极材料。

然而由于碳基电极材料较窄的工作电压窗口，反而在一定程度上影响了超级电容器的能量密度的提升。只有兼顾增加电极材料的比电容和扩大单个电极适宜的工作电压窗口，才能有效提高电极材料和超级电容器的能量密度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种表面功能化碳纤维布电极材料的制备方法，解决了碳基电极材料较窄的工作电压窗口的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种表面功能化碳纤维布电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、首先将碳布按照先后顺序分别浸泡入丙酮、乙醇和去离子水中，超声15min左右，其中每种溶剂中分别清洗3次，然后将清洗后的碳布放入60℃烘箱中烘干；

S2、接着将清洗烘干后的碳布裁剪成0.5cm宽，2.5cm长的条状碳布，放入浓硝酸和浓硫酸的混合溶液中浸泡，30min之后，取出，用去离子水洗净，在60℃烘箱中烘干，最后得到表面色素和油污去除，且表面无机层去除后的碳布；

S3、将浓硝酸和浓硫酸倒入三口烧瓶中，在一定转速搅拌条件下混合均匀，然后将高锰酸钾加入上述混合溶液中，接着把S2步骤中处理过后得到的碳布放入上述混合体系，控制反应体系的温度在一定值左右，并且维持搅拌速度不变；

S4、反应3-24h时间之后，将去离子水倒入S3步骤的反应体系中，继续搅拌，可以看到在三口烧瓶中产生红棕色的烟雾，此时反应体系的温度急剧上升。1h之后，往三口烧瓶中加入的双氧水，此时反应体系的颜色变得澄清透明。继续反应1h之后，将碳布取出，用去离水清洗三遍，然后在60℃烘箱中烘干，最后将条状碳布的一端用金属镍片固定，得到表面接枝有大量含氧官能团的碳布电极材料。

优选的，所述步骤S2的浓硝酸和浓硫酸的混合溶液中浓硝酸和浓硫酸的体积比为1：2。

优选的，所述步骤S3中的一定转速为500rpm。

优选的，所述步骤S3控制反应体系的温度为35℃。