CN108408712A - 一种炭黑及其碳电极的制备方法和应用 - Google Patents

一种炭黑及其碳电极的制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种炭黑及其碳电极的制备方法和应用。本发明所述的炭黑制备碳电极的方法，包括如下步骤：(1)制备炭黑；(2)将步骤(1)中制得的炭黑和石墨混合在一起，使其混合均匀；(3)将有机添加剂或无机添加剂加到混合均匀的石墨和炭黑中，并使其混合均匀；(4)将溶剂加入到均匀(3)所得到的混合物中，球磨，制得碳电极。本发明的制备方法简单可靠，碳电极具有高导电性。本发明的炭黑材料性能可控，通过对炭黑材料的表面化学修饰，可增加其碳电极的催化性能或增加碳电极与钙钛矿材料的接触，提高器件的性能。通过调控合成条件可得到结构不同的炭黑材料，实现不同导电需求的碳电极对不同性能炭黑的需求。

Description

一种炭黑及其碳电极的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及化学材料制备技术领域，具体涉及一种炭黑及其碳电极的制备方法和应用。
背景技术
炭黑(carbon black)，是一种无定形碳。轻、松而极细的黑色粉末，表面积非常大，范围从10～3000m2/g，是含碳物质(煤、天然气、重油、燃料油等)在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。比重1.8-2.1。由天然气制成的称气黑，由油类制成的称灯黑，由乙炔制成的称乙炔黑。此外还有槽黑、炉黑。按炭黑性能区分有补强炭黑、导电炭黑、耐磨炭黑等。可作黑色染料，用于制造中国墨、油墨、油漆等，也用于做橡胶的补强剂。
以往碳电极中存在炭黑性能不可控及对载流子收集效率低的缺陷，缺乏一种具有高导电性的炭黑及其碳电极的制备方法和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高导电性的炭黑及其碳电极的制备方法和应用。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本发明的一种炭黑的制备方法，包括如下步骤：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和不同种类气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，改变和调控不同种类气体和甲烷的混合比例，以及调控反应体系的升温的速率和反应体系的热解温度，从而实现对炭黑结构的调控，制得炭黑。
进一步地，所述的炭黑为氮掺杂炭黑、硼掺杂炭黑、硫掺杂炭黑中的一种或几种的组合。
进一步地，氮掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含氮源的气体，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的氮源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位氮掺杂，制得氮掺杂炭黑。
更进一步地，硼掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含硼源的气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的硼源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位硼掺杂，制得硼掺杂炭黑。
进一步地，硫掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含硫源的气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的硫源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位硫掺杂，制得硫掺杂炭黑。
本发明所述的炭黑制备碳电极的方法，包括如下步骤：
(1)制备炭黑；
(2)将步骤(1)中制得的炭黑和石墨混合在一起，使其混合均匀；
(3)将有机添加剂或无机添加剂加到混合均匀的石墨和炭黑中，并使其混合均匀；
(4)将溶剂加入到均匀(3)所得到的混合物中，球磨，制得碳电极。
进一步地，在步骤(2)中，所述的石墨形态为球状或片状，尺寸为200nm-30μm；所述的炭黑和石墨的质量比为8:1-1:8。
进一步地，在步骤(2)中，所述的石墨和炭黑的混合物与溶剂质量比为1:3。
更进一步地，在步骤(3)中，所述的有机添加剂或无机添加剂为聚乙基纤维素、聚三己基噻吩、PEDOT、富勒烯、钛酸正丁酯、钛酸四异丙酯中的至少一种；所述的有机添加剂或无机添加剂与炭黑和石墨的总质量的质量比为1:10-10:1。
进一步地，在步骤(2)中，所述的石墨和炭黑的混合物与溶剂质量比为1:(1-8)；在步骤(4)中，所述的溶剂为松油醇。
本发明所述的炭黑作为碳电极材料在燃料敏化、有机和钙钛矿电池中的应用。
有益效果：本发明的制备方法简单可靠，碳电极具有高导电性。本发明的炭黑材料性能可控，通过对炭黑材料的表面化学修饰，可增加其碳电极的催化性能或增加碳电极与钙钛矿材料的接触，提高器件的性能。本发明的炭黑材料性能可控，通过调控合成条件可得到结构不同的炭黑材料，可实现不同导电需求的碳电极对不同性能炭黑的需求。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)本发明的炭黑材料结构可控，在高温热解甲烷合成炭黑体系中，通过控制反应体系温度，引入稀有气体，优化调节合成方法和条件，可得到结构不同的炭黑。
(2)通过引入有机气体和稀有气体，控制反应体系温度和设备升温速率，可调控炭黑的结构和粒径；通过引入氧、硫等元素对炭黑进行掺杂可进一步调控炭黑的组成，使炭黑材料的富含各种活性官能团，改变了炭材料的表面特性；通过引入氮或硼元素，得到具有N型或P型性能的炭黑材料。
(3)本发明的炭黑材料性能可控，通过引入氮、硼、硫等元素对炭黑进行原位杂原子掺杂使炭黑材料的表面富含各种活性官能团，改变炭黑材料的表面特性和电子分布等，可得到N型或P型炭黑材料，可实现对电子或空穴的高效选择性收集。
(4)通过将性能可控的炭黑材料引入到电极中，其在燃料敏化电池中其可增强碳电极的催化作用，增加电解质的氧化还原速率进而提高器件的效率；在钙钛矿电池中，其可用作为调控碳电极能级的材料，而且可以通过选择不同的炭黑，促进钙钛矿光活性层中的电荷分离和传输，减小复合和传输损失，实现碳电极对不同载流子的有效收集，从而提高太阳能电池的光电转效率。
(5)本发明碳电极可通过选择不同的炭黑制备出不同需求的碳电极(既可作为空穴收集电极，又可以作为电子收集电极)。
(6)本发明制备的碳电极的导电性和柔韧性均达到优异水平，最优方块电阻达到5欧姆，完全可以替代金属电极，展现出广泛的应用前景。本发明碳电极的成型可以使用辊涂或丝网印刷等工艺，可以大规模应用于产业化生产。
(7)本发明的碳电极由于在制作过程中可以选着不同的有机或无机粘结剂与不同的溶剂，因此制备得到的碳电极在应用于制备太阳能电池的电极时，可根据需要既可其在低温80℃烧结后使用，也可以选择在高温400℃烧结后使用，与传统的碳浆料材料相比，本发明大大提升了人们对不同温度条件下对碳电极的需求。
具体实施方式
通过以下实施例进一步详细说明本发明，但应注意本发明的范围并不受这些实施例的任何限制。
实施例1
本发明的一种炭黑的制备方法，包括如下步骤：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和不同种类气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，改变和调控不同种类气体和甲烷的混合比例，以及调控反应体系的升温的速率和反应体系的热解温度，从而实现对炭黑结构的调控，制得炭黑。所述的炭黑为氮掺杂炭黑。
本发明所述的炭黑制备碳电极的方法，包括如下步骤：
(1)制备炭黑；氮掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含氮源的气体，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的氮源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位氮掺杂，制得氮掺杂炭黑。
(2)将步骤(1)中制得的氮掺杂炭黑和石墨混合在一起，使其混合均匀；所述的石墨形态为球状或片状，尺寸为200nm；所述的炭黑和石墨的质量比为8:1。所述的石墨和氮掺杂炭黑的混合物与溶剂质量比为1:3。
(3)将有机添加剂或无机添加剂加到混合均匀的石墨和炭黑中，并使其混合均匀；所述的有机添加剂或无机添加剂为聚乙基纤维素；所述的有机添加剂或无机添加剂与炭黑和石墨的总质量的质量比为1:10。
(4)将溶剂加入到均匀(3)所得到的混合物中，球磨，制得碳电极。所述的溶剂为松油醇。
本发明所述的炭黑作为碳电极材料在燃料敏化、有机和钙钛矿电池中的应用。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：
硼掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含硼源的气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的硼源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位硼掺杂，制得硼掺杂炭黑。
本发明所述的炭黑制备碳电极的方法，包括如下步骤：
(1)制备炭黑；硼掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含硼源的气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的硼源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位硼掺杂，制得硼掺杂炭黑。
(2)将步骤(1)中制得的炭黑和石墨混合在一起，使其混合均匀；所述的石墨形态为球状或片状，尺寸为30μm；所述的炭黑和石墨的质量比为1:8。所述的石墨和炭黑的混合物与溶剂质量比为1:1。
(3)将有机添加剂或无机添加剂加到混合均匀的石墨和炭黑中，并使其混合均匀；所述的有机添加剂或无机添加剂为聚三己基噻吩；所述的有机添加剂或无机添加剂与炭黑和石墨的总质量的质量比为10:1。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：
硫掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含硫源的气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的硫源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位硫掺杂，制得硫掺杂炭黑。
本发明所述的炭黑制备碳电极的方法，包括如下步骤：
(1)制备炭黑；硫掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含硫源的气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的硫源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位硫掺杂，制得硫掺杂炭黑；
(2)将步骤(1)中制得的炭黑和石墨混合在一起，使其混合均匀；所述的石墨形态为球状或片状，尺寸为20μm；所述的炭黑和石墨的质量比为1:7。所述的石墨和炭黑的混合物与溶剂质量比为1:8。
(3)将有机添加剂或无机添加剂加到混合均匀的石墨和炭黑中，并使其混合均匀；所述的有机添加剂或无机添加剂为PEDOT；所述的有机添加剂或无机添加剂与炭黑和石墨的总质量的质量比为9:1。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于：
在步骤(3)中，所述的有机或无机添加剂为钛酸四异丙酯。
实施例5
实施例5与实施例1的区别在于：在步骤(3)中，所述的有机或无机添加剂为钛酸正丁酯。
实施例6
实施例6与实施例1的区别在于：在步骤(3)中，所述的有机或无机添加剂为富勒烯。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种炭黑的制备方法，其特征在于包括如下步骤：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和不同种类气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，改变和调控不同种类气体和甲烷的混合比例，以及调控反应体系的升温的速率和反应体系的热解温度，从而实现对炭黑结构的调控，制得炭黑。
2.根据权利要求1所述的炭黑的制备方法，其特征在于：所述的炭黑为氮掺杂炭黑、硼掺杂炭黑、硫掺杂炭黑中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求2所述的炭黑的制备方法，其特征在于：氮掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含氮源的气体，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的氮源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位氮掺杂，制得氮掺杂炭黑。
4.根据权利要求2所述的炭黑的制备方法，其特征在于：硼掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含硼源的气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的硼源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位硼掺杂，制得硼掺杂炭黑。
5.根据权利要求2所述的炭黑的制备方法，其特征在于：硫掺杂炭黑的制备方法：在管式炉高温热解甲烷的体系中，通入甲烷和富含硫源的气体，在高温的条件下，甲烷发生裂解生成炭黑和氢气，引入的硫源在炭黑形成的过程中可实现对炭黑进行原位硫掺杂，制得硫掺杂炭黑。
6.利用权利要求1至5任一项所述的炭黑制备碳电极的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)制备炭黑；
(2)将步骤(1)中制得的炭黑和石墨混合在一起，使其混合均匀；
(3)将有机添加剂或无机添加剂加到混合均匀的石墨和炭黑中，并使其混合均匀；
(4)将溶剂加入到均匀(3)所得到的混合物中，球磨，制得碳电极。
7.根据权利要求6所述的碳电极的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的石墨形态为球状或片状，尺寸为200nm-30μm；所述的炭黑和石墨的质量比为8:1-1:8；所述的石墨和炭黑的混合物与溶剂质量比为1:3。
8.根据权利要求6所述的碳电极的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述的有机添加剂或无机添加剂为聚乙基纤维素、聚三己基噻吩、PEDOT、富勒烯、钛酸正丁酯、钛酸四异丙酯中的至少一种；所述的有机添加剂或无机添加剂与炭黑和石墨的总质量的质量比为1:10-10:1。
9.根据权利要求6所述的碳电极的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的石墨和炭黑的混合物与溶剂质量比为1:(1-8)；在步骤(4)中，所述的溶剂为松油醇。
10.权利要求1至5任一项所述的炭黑作为碳电极材料在燃料敏化、有机和钙钛矿电池中的应用。
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