CN104694977B

CN104694977B - 一种高导电碳纤维电极材料及制备方法

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Publication number: CN104694977B
Application number: CN201410699216.1A
Authority: CN
Inventors: 竺培显; 许健; 周生刚; 曹勇; 韩朝辉; 王福; 范农杰; 张喆; 朱坤亮
Original assignee: INDUSTRY MANAGEMENT Ltd KUNMING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Current assignee: INDUSTRY MANAGEMENT Ltd KUNMING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: CN104694977A

Abstract

本发明公开一种高导电碳纤维电极材料的制备方法。其包括对碳纤维布的表面进行碱性除油、超声波清洗处理、蒸馏水清洗干净、浓硫酸刻蚀活化、蒸馏水煮沸洗净并自然晾干、用导电树脂胶对预处理后的碳纤维布进行粘结和封胶处理、对封胶处理后的多层碳纤维布进行电沉积铅等步骤。本发明方法是利用预处理去除碳纤维布表面的油污与杂质，使其表面清洁，改善其粘结性，提高了电极材料的稳定性；直接实现活性物质二氧化铅在碳纤维表面上的复合，并不需要其他的粘结剂或中间层，降低电极内阻，活性物质在碳纤维表面分布均匀，提高了电极材料的导电性。本方法制备的碳纤维电极材料的导电层平整、附着力强、催化活性强，成本低、工艺简单且稳定性好。

Description

一种高导电碳纤维电极材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种高导电碳纤维电极材料及制备方法，属于层状复合材料领域。

背景技术

电极在电解工业中起着非常重要的作用，目前用于有色金属提取的不溶性阳极材料主要有铅合金（主要是Pb-Ag合金）电极和钛基涂层电极，然而前者密度大、强度低、易溶解，且采用铅合金作为阳极材料，导致电解产品中的铅含量增加；而后者中的钛基贵金属（铱、钌、钽）氧化物涂层电极虽已成功应用于氯碱工业，但却不适合在析氧型的硫酸电解液中使用，且钛内阻太大也是不可回避的问题。

为克服铅电极的不足，研究者们主要围绕两个方面进行：一方面是降低Pb-Ag合金中银含量的同时添加其他合金元素（Sr、Sn、Bi、Sb等）及稀土元素（Ce、Tb、Yb等）的多元合金化以提高合金强度、耐蚀性，并降低槽电压；另一方面借助电化学沉积、涂覆等方法在铅电极表面电沉积或涂覆一层电催化活性剂和增强剂，如IrO₂、RuO₂、PbO₂、MnO₂等，以提高电极的导电性、稳定性，并增强表面涂层附着力。然而对铅合金阳极进行的种种处理，或在合金中添加其他元素，或对其进行活化、增强处理，始终解决不了铅基体在电化学腐蚀过程中的溶解问题。由于钛阳极（主要为尺寸稳定型阳极，即DSA阳极）中MnO₂、PbO₂等活性涂层机械结合力差，且目前无法将钛阳极应用于酸性析氧领域，研究者们采用SnO₂、SnO₂+Sb₂O₃、SnO₂+RuO₂+Sb₂O₃等氧化物作为钛基体与MnO₂、PbO₂等活性涂层的过渡中间层，以形成氧化物固溶体来增强基体与活性层之间的粘结力和耐蚀性。如CN103439385A公开的“一种DSA电极的制作方法”，该方法是以钛板为基体，在其表面上依次布设SnO₂-Sb₂O_x中间层和TiO₂-RuO₂-IrO₂-F活性层；CN103147093A公布的“一种长寿命DSA电极的制备方法”，以金属钛或钛合金为基体，先将其作为阴极电镀Sn得到致密中间层，最后在其表面涂覆活性层。但是，研究者们无论对钛基涂层电极材料作何种处理和改善，始终无法改变钛内阻大的事实，且选择SnO₂掺杂的过渡中间层，内阻更大。而且，以上所陈述的研究者们所研究的电极材料始终没有摆脱以金属铅、钛作为基体。

此外，研究者们还在其他基体材料上进行了涂层电极研究，这些基体材料的选择主要有塑料、玻璃和陶瓷。塑料、玻璃和陶瓷基体虽然不会产生钝化层、且不会被浸蚀，但是它们毕竟是不导电的基体材料。

碳纤维作为近年来发展起来的新型碳材料，具有密度小、强度高、刚度好、耐高温、耐腐蚀、抗辐射、抗疲劳、高导电、导热、成本低等一系列优异的特性，备受工业界的重视。

发明内容

本发明的目的是针对现有的铅合金电极易溶解、钛基涂层电极内阻大和塑料、陶瓷等材料本身不导电的问题，提出一种新型的阳极材料--碳纤维，并提供了一种制备工艺简单、成本低、适应性强、导电性好、催化活性强的碳纤维电极材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供的高导电碳纤维电极材料是在导电性优异的碳纤维布表面直接电沉积一层活性层，表面活性层的厚度为0.2～1mm。用来粘结两层碳纤维布的导电树脂胶的厚度为0.1～1mm。用导电树脂胶将多层碳纤维布依次粘结至需要的电极厚度，电极厚度为2～6mm。

本发明的制备方法包括按下列步骤进行：

1）将碳纤维布裁剪至合适尺寸，并用碱液在常温下对碳纤维布表面进行除油10～60min；

2）将上述装有碳纤维布的碱液一同置于超声波清洗器中，超声波处理10～60min；

3）用蒸馏水清洗干净上述除油并超声清洗处理后的碳纤维布表面；

4）将上述清洗干净后的碳纤维布浸入常温条件、质量分数为65%的浓硝酸中10～60min，进行表面刻蚀处理；

5）将经过浓硝酸刻蚀处理的碳纤维布用蒸馏水煮沸洗净；

6）将上述煮沸洗净后的碳纤维布自然晾干；

7）将多层上述晾干后的碳纤维布进行叠加，并用导电树脂胶粘结至需要的电极厚度；

8）将上述用导电树脂胶粘结后的多层碳纤维布进行四周封胶处理并晾干；

9）在30～80℃的温度下，用每升中含100～200g硝酸铅、0～10g氟化钠、5～50mL浓硝酸的混合溶液对上述封胶后的碳纤维布的表面进行电沉积铅处理，其中，电流密度为10～100mA·cm^-2，电沉积时间为0.2h～2.5h，极板间距为1～5cm，阴极板为石墨；

10）用蒸馏水清洗干净上述电沉积铅处理后的碳纤维布的表面，制备得到导电性优异的碳纤维电极材料。

所述的步骤1）中的碱溶液每升中含有10～100g的氢氧化钠、5～50g的碳酸钠和3～20滴的清洗剂。

所述的步骤7）、8）中的导电树脂胶由北京建隆电子化工有限公司生产，导电树脂胶以合成树脂为粘结剂、导电碳粉为导电填料配以适当的溶剂、增韧剂混合而成，用来粘结两层碳纤维布的导电树脂胶的厚度为0.1～1mm。

所述的步骤9）中电沉积得到的表面活性层二氧化铅的厚度为0.2～1mm。

所述的步骤7）、8）、9）、10）中的碳纤维电极的厚度为2～6mm。

本发明提供的碳纤维电极材料的制备方法是先利用预处理和表面改性处理，去除油污与杂质，使碳纤维表面清洁，改善其粘结性，以利于与铅沉积层的复合，提高电极材料的稳定性；直接实现活性物质二氧化铅在碳纤维表面上的复合，并不需要其他的粘结剂或中间层，降低电极内阻，有效提高活性物质的比例；活性物质在碳纤维表面分布均匀，可提高电极材料的导电性。本方法制备得到的碳纤维电极材料的活性层平整、附着力强、催化活性好，成本低、工艺简单且稳定性好。

附图说明

下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。

图1是本发明的碳纤维电极的层状复合结构示意图（以两层为例）。

图2为实施例1所制备的碳纤维电极表面的X射线衍射图谱。

图3为实施例1、实施例2、实施例3中制备的碳纤维电极材料与传统铅电极材料的极化曲线对比图。

图中：1—表示压实面，2—为导电树脂胶，3—为碳纤维布。

具体实施方式

从图2中可以看到，在20°～80°的范围出现了12个衍射峰的峰位，对照PDF卡片可知，谱峰均为β-PbO₂晶体的衍射谱峰，达到了电沉积的预期目的（β-PbO₂活性层的导电性优异）。

从图3中可以看出，所制备的电极材料与传统铅电极材料相比，极化电位出现了较明显的负移，达到了预期的目的。

实施例1

首先将碳纤维布裁剪至合适尺寸后用每升中含有70g氢氧化钠、30g碳酸钠和10滴清洗剂的混合液在常温下对碳纤维布表面进行除油30min，再将装有碳纤维布的混合液一同置于超声波清洗器中超声波处理20min，用蒸馏水清洗碳纤维布表面，接着将清洗干净后的碳纤维布浸入常温条件、质量分数为65%的浓硝酸中30min，进行表面刻蚀处理，用蒸馏水将碳纤维布煮沸洗净并自然晾干，将多层晾干后的碳纤维布进行叠加，每两层碳纤维间涂上厚度为0.5mm的导电树脂胶，对导电树脂胶粘结后的多层碳纤维布的四周进行封胶处理并晾干，待用。

在65℃的温度下，用每升中含150g硝酸铅、1g氟化钠、25mL浓硝酸的混合溶液采用电流密度40mA·cm^-2、电沉积时间1.5h、极板间距3cm、阴极板为石墨的电镀参数对封胶处理后的碳纤维布的表面进行电沉积铅处理，得到的活性层厚度为0.6mm，此时测得碳纤维电极的厚度为4mm。与传统铅合金电极相比，测得所制备的碳纤维电极材料的极化电位负移了790mV（电流密度为0.24A·cm^-2时）。

实施例2

首先将碳纤维布裁剪至合适尺寸后用每升中含有100g氢氧化钠、5g碳酸钠和3滴清洗剂的混合液在常温下对碳纤维布表面进行除油10min，再将装有碳纤维布的混合液一同置于超声波清洗器中超声波处理60min，用蒸馏水清洗碳纤维布表面，接着将清洗干净后的碳纤维布浸入常温条件、质量分数为65%的浓硝酸中50min，进行表面刻蚀处理，用蒸馏水将碳纤维布煮沸洗净并自然晾干，将多层晾干后的碳纤维布进行叠加，每两层碳纤维间涂上厚度为0.1mm的导电树脂胶，对导电树脂胶粘结后的多层碳纤维布的四周进行封胶处理并晾干，待用。

在65℃的温度下，用每升中含180g硝酸铅、5g氟化钠、50mL浓硝酸的混合溶液采用电流密度60mA·cm^-2、电沉积时间0.5h、极板间距1cm、阴极板为石墨的电镀参数对封胶处理后的碳纤维布的表面进行电沉积铅处理，得到的活性层厚度为0.3mm，此时测得碳纤维电极的厚度为2mm。与传统铅合金电极相比，测得所制备的碳纤维电极材料的极化电位负移了215mV（电流密度为0.24A·cm^-2时）。

实施例3

首先将碳纤维布裁剪至合适尺寸后用每升中含有50g氢氧化钠、50g碳酸钠和20滴清洗剂的混合液在常温下对碳纤维布表面进行除油60min，再将装有碳纤维布的混合液一同置于超声波清洗器中超声波处理30min，用蒸馏水清洗碳纤维布表面，接着将清洗干净后的碳纤维布浸入常温条件、质量分数为65%的浓硝酸中10min，进行表面刻蚀处理，用蒸馏水将碳纤维布煮沸洗净并自然晾干，将多层晾干后的碳纤维布进行叠加，每两层碳纤维间涂上厚度为1mm的导电树脂胶，对导电树脂胶粘结后的多层碳纤维布的四周进行封胶处理并晾干，待用。

在80℃的温度下，用每升中含200g硝酸铅、3g氟化钠、30mL浓硝酸的混合溶液采用电流密度60mA·cm^-2、电沉积时间2.5h、极板间距5cm、阴极板为石墨的电镀参数对封胶处理后的碳纤维布的表面进行电沉积铅处理，得到的活性层厚度为0.8mm，此时测得碳纤维电极的厚度为6mm。与传统铅合金电极相比，测得所制备的碳纤维电极材料的极化电位负移了125mV（电流密度为0.24A·cm^-2时）。

实施例4～8

实施例4～8的操作步骤与前面的实施例基本相同，具体的工艺参数，测得碳纤维电极的活性层厚度、导电树脂胶的厚度、整个电极的厚度如表1所示。与传统的铅合金电极相比，在电流密度为0.24A·cm^-2时，所制备的碳纤维电极材料的极化电位负移量如表1所示。

表1

Claims

1.一种高导电碳纤维电极材料，其特征在于：在导电性优异的碳纤维布表面直接电沉积一层活性层，表面活性层的厚度为0.2～1mm；

所述高导电碳纤维电极材料的制备方法如下：

3）用蒸馏水清洗干净上述除油并超声清洗处理后的碳纤维布的表面；

5）将经过浓硝酸刻蚀处理的碳纤维布用蒸馏水煮沸洗净；

6）将上述煮沸洗净后的碳纤维布自然晾干；

7）将多层上述晾干后的碳纤维布进行叠加，并用导电树脂胶粘结至需要的电极厚度，电极厚度为2～6mm；

9）在30～80℃的温度下，用每升中含100～200g硝酸铅、0～10g氟化钠、25～50mL浓硝酸的混合溶液对上述封胶后的碳纤维布的表面进行电沉积铅处理，其中，电流密度为40～100mA·cm^-2，电沉积时间为0.2h～2.5h，极板间距为1～5cm，阴极板为石墨；

2.根据权利要求1所述的高导电碳纤维电极材料，其特征在于：用来粘结两层碳纤维布的导电树脂胶的厚度为0.1～1mm。

3.一种高导电碳纤维电极材料的制备方法，其特征在于含有以下工艺步骤：

5）将经过浓硝酸刻蚀处理的碳纤维布用蒸馏水煮沸洗净；

6）将上述煮沸洗净后的碳纤维布自然晾干；

9）在30～80℃的温度下，用每升中含100～200g硝酸铅、0～10g氟化钠、5～50mL浓硝酸的混合溶液对上述封胶后的碳纤维布的表面进行电沉积铅处理，其中，电流密度为40～100mA·cm^-2，电沉积时间为0.2h～2.5h，极板间距为1～5cm，阴极板为石墨；

4.根据权利要求3所述的一种高导电碳纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中的碱溶液每升中含有10～100g的氢氧化钠、5～50g的碳酸钠和3～20滴的清洗剂。

5.根据权利要求3所述的一种高导电碳纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤7）、8）中的导电树脂胶由北京建隆电子化工有限公司生产，导电树脂胶以合成树脂为粘结剂、导电碳粉为导电填料配以适当的溶剂、增韧剂混合而成，用来粘结两层碳纤维布的导电树脂胶的厚度为0.1～1mm。

6.根据权利要求3所述的一种高导电碳纤维电极材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤9）中电沉积得到的活性层二氧化铅的厚度为0.2～1mm。