[发明专利]氮修饰石墨毡电极的制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种氮修饰石墨毡电极的制备方法，包括：步骤一，采用水羟基技术对石墨毡进行处理，将经过处理的石墨毡烘干；步骤二，将烘干后的石墨毡置于电阻炉中，进行氮修饰活化，所述电阻炉连接有通入空气的管路，所述管路连接有起泡器，所述起泡器内装有含氮水溶液，将所述电阻炉升温至320℃～380℃；用压缩空气通过起泡器将所述含氮水溶液以气态的形式带入所述电阻炉进行氮修饰活化；步骤三，经氮修饰活化后的石墨毡，浸泡去离子水中，同时使用超声波清洗机进行清洗，处理完毕，烘干，得到氮修饰的石墨毡电极。采用本发明制备方法制备的电极材料，由于在碳纤维表面引入了氮元素表面修饰，增加活性位点，提高了电极的电化学活性。

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种液流电池的电极材料制备方法。

背景技术

液流电池作为一种新型的电化学储能系统，具有高效、安全和环保等优点，作为可再生能源规模化发电储能、电网调峰等应用，一直是近年来电池研究的热点。全钒液流电池是目前技术上最为成熟的液流电池，是迄今为止唯一在风能发电调幅、调频和平滑输出并网应用的液流电池，目前已经进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。

电极是影响液流电池性能的关键材料之一。碳素类电极由于稳定性高、导电性好、价格低廉等特点，成为液流电池中研究最广泛的电极材料。常用的碳素类电极包括碳毡/石墨毡(carbon/graphite felt)、碳布(carbon cloth)和碳纸(carbon paper)等。碳毡/聚丙烯腈基(PAN)石墨毡因其导电性好、稳定性强、机械性能好、具备三维空隙结构等优点而广泛用作电极材料。但由于这类材料的石墨化程度较高，引起了亲水性较差、比表面积小、电化学活性不高等问题，需要对其进行适当的改性来提高它的整体性能。石墨毡的改性方法主要包括金属化处理和氧化处理。

金属化处理是采用离子交换和渗透的方法将金属离子修饰在石墨毡电极表面上。研究发现，用Mn²⁺、Te⁴⁺、In³⁺和Ir³⁺等修饰的石墨毡电极表现出良好的电化学催化活性，其中Ir³⁺修饰的电极表现出最好的电化学活性；但用Pt⁴⁺、Pd²⁺和Au⁴⁺进行金属化处理时，电极的析氢电位明显降低，电极反应容易析出氢气。虽然经金属化处理的石墨毡表现出较好的电化学催化活性，但也使电极的制备工艺变得复杂，同时由于使用贵金属造成电极的成本偏高，故而并不适合大规模应用。

氧化处理方法包括空气、氧气或臭氧的气相氧化，浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾、次氯酸钠、过氧化氢或过硫酸钾的液相氧化，以及电化学氧化方法等。当石墨纤维中石墨微晶的边缘和表面缺陷处碳原子的不成对电子暴露在热空气或酸中时，会被氧化生产C-OH和C＝O等含氧官能团，起到催化钒离子的氧化还原反应的作用。近些年，随着对碳材料研究的深入，人们发现在碳材料体相中引入氮、硫和磷等，可以改善碳材料的电化学性能、机械性能。而在碳材料表面引入氧、氮、硫以及磷等掺杂原子，可以显著增加碳材料表面活性，使其在电子传输流量和反应介质的吸附过程等方面都表现出更好的性能。

常规热处理方法，不能提高碳毡或石墨毡的亲水性；浓硫酸或过氧化氢氧化处理采用的处理剂为浓硫酸或过氧化氢，安全性差，不适宜大规模制备；高锰酸钾、次氯酸钠等氧化法，对环境会造成污染，产生大量的废水。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提出一种氮修饰石墨毡电极的制备方法，以及所述制备方法的应用。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种氮修饰石墨毡电极的制备方法，包括操作：

(1)步骤一，采用水羟基设备对石墨毡进行处理，将经过处理的石墨毡烘干；

(2)步骤二，将烘干后的石墨毡置于电阻炉中，进行氮修饰活化；