CN108550471B - 一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法 - Google Patents
一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108550471B CN108550471B CN201810394423.4A CN201810394423A CN108550471B CN 108550471 B CN108550471 B CN 108550471B CN 201810394423 A CN201810394423 A CN 201810394423A CN 108550471 B CN108550471 B CN 108550471B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon fiber
- electrode material
- flexible electrode
- carbon
- preparation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 91
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title claims abstract description 74
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title claims abstract description 74
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 title claims abstract description 51
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 115
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 78
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 22
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 claims abstract description 20
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 5
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 18
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 claims description 8
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 claims description 8
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 claims description 8
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims description 8
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 claims description 8
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 5
- 150000002815 nickel Chemical class 0.000 claims description 5
- 125000002791 glucosyl group Chemical group C1([C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O1)CO)* 0.000 claims description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 23
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 9
- 238000005815 base catalysis Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 13
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 9
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 8
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 8
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 229910003978 SiClx Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 238000010574 gas phase reaction Methods 0.000 description 4
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 4
- 229910002837 PtCo Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 2
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 2
- NWZSZGALRFJKBT-KNIFDHDWSA-N (2s)-2,6-diaminohexanoic acid;(2s)-2-hydroxybutanedioic acid Chemical compound OC(=O)[C@@H](O)CC(O)=O.NCCCC[C@H](N)C(O)=O NWZSZGALRFJKBT-KNIFDHDWSA-N 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N cobalt dinitrate Chemical compound [Co+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001981 cobalt nitrate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- IKDUDTNKRLTJSI-UHFFFAOYSA-N hydrazine monohydrate Substances O.NN IKDUDTNKRLTJSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- VMWYVTOHEQQZHQ-UHFFFAOYSA-N methylidynenickel Chemical compound [Ni]#[C] VMWYVTOHEQQZHQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- BFDHFSHZJLFAMC-UHFFFAOYSA-L nickel(ii) hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ni+2] BFDHFSHZJLFAMC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 230000007096 poisonous effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000003930 superacid Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/40—Fibres
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/42—Powders or particles, e.g. composition thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
- H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Abstract
一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法，将生物质碳源溶于水中，配制碳源溶液；将碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在均相反应器中反应，得到碳纤维骨架；将硅粉和硅藻土混合，配制硅源；将硅源、镍片和碳纤维骨架逐层放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入氩气气氛下，1200～1400℃下进行反应2～3h，冷却得到柔性电极材料。本发明制备的复合材料不仅具有高的强度，高的比表面积、而且还具赋予了复合材料高的催化活性。本发明提供了一种简单、高效、低成本制备柔性Ni基催化电极的方法。
Description
技术领域
本发明所提供一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法，属于纳米复合材料领域。
背景技术
随着科技的发展和市场的需求，人们对电极的追求不仅仅停留于导电性、稳定性和耐腐蚀性等方面，还需要它们具备灵活、轻薄等特点，从而推动了柔性电极的发展。柔性电极是指具有机械柔性的电极，按照组成可以分为两类：一类是自身具有柔性的单一型导电体，如金属的电纺丝、碳纤维、结构型导电高分子聚合物等；另一类则是以柔性材料为基体，在其表面修饰或者体内掺杂导电体复合而形成的复合型柔性电极，这一类柔性电极的典型代表就是复合型的导电高分子薄膜电极，如碳纳米材料/高分子材料、金属/高分子材料等；而由于后者工艺简单、价格低、导电性与机械灵活性可控等特点使其在应用与研究方面更加广泛。
碳纤维作为柔性电极中最典型的一种材料，其含碳量达到95％以上，它具有独特的柔韧性、高的导电性、较低的密度(1.75～2.18g/cm3)、大的比表面积以及强的化学稳定性，拥有新型柔性电极材料最重要的柔软、轻薄的特点，从而使得碳纤维复合材料在电催化、电化学传感器以及柔性超级电容器方面具有广阔的应用前景。
碳化硅(SiC)具有理想的带隙、高的抗光腐蚀与化学腐蚀性等优异的特性，已经成为国内外光电催化领域的研究热点之一，镍基催化剂作为一种被广泛研究的电催化材料，具有优异的催化活性、稳定性高等优点。采用金属与半导体复合是改善半导体催化剂催化性能的有效手段之一，将碳化硅和镍复合，设计合成镍/碳化硅复合材料，利用耦合效应，使得复合材料具有更高电化学性能，对于复合材料电极在催化氧化领域的实际应用具有一定的意义。
目前已经有很多镍基复合材料制备方法，如一步合成法、化学气相沉积法、磁控溅射等。ChuangZhao等人利用一步合成法合成Ni/GO纳米微球，研究表明Ni/GO纳米微球对罗丹明B的去除效率约为90％。[Applied Surface Science,2015,357:22-30.]。但实验过程中氧化石墨烯的价格昂贵，水合肼具有很强的还原性，强碱性和一定的毒性。
中国发明专利201611021461.2报道了一种碳纤维负载纳米级双金属PtCo催化电极制备方法及其应用，将碳纤维浸渍在氯铂酸和硝酸钴的混合液中，在管式炉中氢气氛围下反应得到纳米级双金属PtCo催化电极。该方法在制备纳米级双金属PtCo催化电极过程时涉及氯铂酸，氯铂酸价格比较昂贵，属酸性腐蚀品，加热至360℃时，分解成氯化氢气体，有一定的毒性；反应过程中涉及到易燃易爆气体，具有一定的危险性。
中国发明专利200610117132.8报道了一种用于有机电化学合成过程的纳米碳纤维电催化电极的制备，通过电化学方法在碳纤维上沉积金属纳米颗粒。该方法在制备纳米碳纤维电催化电极过程中用到Nafion试剂，它属于超酸，具有很强的腐蚀性，加热会放出有毒性气体，有一定的危险性。
中国发明专利201510300879.6报道了一种多孔镍基碳纤维复合材料及其制备方法和用途，通过磁控溅射技术在碳纤维布衬底上沉积纳米镍金属薄膜，而后利用电化学工作站通过循环伏安法将多孔镍金属薄膜的表层镍氧化为氢氧化镍得到所述多孔镍基碳纤维复合材料。该方法在制备多孔镍基碳纤维复合材料过程中涉及磁控溅射技术，机器设备和纯金属镍靶材价格昂贵，实验过程复杂。
鉴于以上缺陷，是有必要提供实有必要提供一种操作简单，成本低Cf/SiCNWs/Ni复合材料的制备方法以解决以上技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将生物质碳源溶于水中，配制碳源溶液；
2)将碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在均相反应器中反应，得到碳纤维骨架；
3)将硅粉和硅藻土混合，配制硅源；
4)将硅源、镍片和碳纤维骨架逐层放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入氩气气氛下，1200～1400℃下进行反应2～3h，冷却得到柔性电极材料。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中碳源溶液的浓度为50～100g/L。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中生物质碳源为葡萄糖或蔗糖。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中反应温度为180～200℃，反应时间为3～5h。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中反应完成后自然冷却至室温。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中碳纤维预制体为碳布或碳纤维纸。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中水热釜的体积填充度为50％。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中按照硅粉∶硅藻土＝(1～2)∶1的摩尔比将硅粉和硅藻土混合。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中硅源与镍片之间、镍片与碳微球粘结的碳纤维骨架之间采用碳毡隔开；步骤4)中反应是在高温管式炉中进行；步骤4)中冷却具体为随炉冷却至室温。
一种碳纤维柔性电极材料，该材料中碳化硅纳米线在碳纤维表面放射状生长，碳化硅纳米线直径为50～200nm，镍颗粒直径为80～250nm，镍颗粒分布在碳化硅纳米线的顶端。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明中，采用水热沉积碳的碳纤维预制体作为电极材料骨架，然后将硅源、镍源和碳纤维预制体置于石墨坩埚内，利用化学气相反应制备Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料，制备的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料以碳纤维作为骨架，碳纤维之间利用水热沉积碳连接，形成一个高孔隙率、高强度的三维网络结构，碳纤维轻质高强导电的特点，是Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料的基础。通过升高温度使得泡沫镍在高温下形成镍蒸汽，镍蒸汽会附着在碳纤维预制体表面形成弥散分布的金属镍纳米颗粒；在化学气相反应中，SiCNWs呈放射状生长在碳纤维表面，金属镍颗粒分布于SiCNWs尖端，该结构不仅使复合材料具有高的比表面积，而且确保纳米镍颗粒在复合材料中的均匀分布，使复合材料在光/电催化应用中具有高的反应活性位点，赋予了Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料良好的光/电催化功能。此外，Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料在光/电催化时可多次重复使用。本发明提供了一种具有良好光/电催化性能的Cf/SiCNWs/Ni柔性复合电极材料及其简单、低成本的制备工艺。
本发明制备的复合材料中碳化硅纳米线在碳纤维表面放射状生长，碳化硅纳米线直径为50～200nm，镍颗粒直径为80～250nm，镍颗粒分布在碳化硅纳米线的顶端，该复合材料不仅具有高的强度，高的比表面积、而且还具赋予了复合材料高的催化活性。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料的X-射线衍射(XRD)图谱；
图2是本发明实施例1制备的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料的表面扫描电镜(SEM)照片；
图3是本发明实施例1制备的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料截面的表面扫描电镜(SEM)照片；
图4是本发明实施例1制备的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料SiCNWs的表面扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
实施例1
步骤1：选取碳纤维纸为碳纤维预制体，作为骨架；以葡萄糖作为碳源，配制浓度为50g/L的葡萄糖溶液；
步骤2：将碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在均相反应器中反应，在180℃下进行反应3h，然后自然冷却至室温，干燥后得到碳微球粘结的碳纤维骨架，碳纤维表面的沉积碳层厚度约为1μm；其中，水热釜的体积填充度为50％。
步骤3：将硅粉和硅藻土按照设定的摩尔比混合，配制摩尔比硅粉∶硅藻土＝1∶1的硅源；将硅源，镍片，碳微球粘结的碳纤维骨架逐层放入石墨坩埚中，层与层之间用碳毡隔开；将石墨坩埚放入高温管式炉，在氩气气氛下采用阶梯式升温：室温—800℃—1200℃，具体为：自室温以10～15℃的升温速率升温至800℃并保温30min，然后以10～15℃的升温速率升温至1200℃并在此温度下进行反应2h，后随炉冷却至室温，得到Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料。
从图1、图2、图3和图4，可以看出本实施例所制得的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料中碳化硅纳米线的直径～150nm，碳化硅纳米线顶端的镍颗粒直径～200nm。
实施例2
步骤1：选取碳布为碳纤维预制体作为骨架；以葡萄糖作为碳源，配制浓度为70g/L的葡萄糖溶液；
步骤2：将碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在均相反应器中反应，在200℃下进行反应5h，然后自然冷却至室温，干燥后得到碳微球粘结的碳纤维骨架，碳纤维表面的沉积碳层厚度约为1～2μm；其中，水热釜的体积填充度为50％。
步骤3：将硅粉和硅藻土按照设定的摩尔比混合，配制摩尔比硅粉∶硅藻土＝1.5∶1的硅源；将硅源，镍片，碳微球粘结的碳纤维骨架逐层放入石墨坩埚中，层与层之间用碳毡隔开；将石墨坩埚放入高温管式炉，在氩气气氛下采用阶梯式升温：室温—800—1300℃，具体为：自室温以10～15℃的升温速率升温至800℃并保温30min，然后以10～15℃的升温速率升温至1300℃并在此温度下进行反应2h，后随炉冷却至室温，得到Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料。
本实施例所制得的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料中碳化硅纳米线的直径～200nm，碳化硅纳米线顶端的镍颗粒直径～250nm。
实施例3
步骤1：选取碳布为碳纤维预制体作为骨架；以葡萄糖作为碳源，配制浓度为100g/L的葡萄糖溶液；
步骤2：将碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在均相反应器中反应，在200℃下进行反应5h，然后自然冷却至室温，干燥后得到碳微球粘结的碳纤维骨架，碳纤维表面的沉积碳层厚度约为3.5μm；其中，水热釜的体积填充度为50％。
步骤3：将硅粉和硅藻土按照设定的摩尔比混合，配制摩尔比硅粉∶硅藻土＝2∶1的硅源；将硅源，镍片，碳微球粘结的碳纤维骨架逐层放入石墨坩埚中，层与层之间用碳毡隔开；将石墨坩埚放入高温管式炉，在氩气气氛下采用阶梯式升温：室温—800—1400℃，具体为：自室温以10～15℃的升温速率升温至800℃保温30min，然后以10～15℃的升温速率升温至1400℃并在此温度下进行反应3h，后随炉冷却至室温，得到Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料。
本实施例所制得的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料中碳化硅纳米线的直径～400nm，碳化硅纳米线顶端的镍颗粒直径～500nm。
实施例4
步骤1：选取碳纤维纸为碳纤维预制体作为骨架；以蔗糖作为碳源，配制浓度为50g/L的蔗糖溶液；
步骤2：将碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在均相反应器中反应，在180℃下进行反应3h，然后自然冷却至室温，干燥后得到碳微球粘结的碳纤维骨架，碳纤维表面的沉积碳层厚度约为1.5μm；其中，水热釜的体积填充度为50％。
步骤3：将硅粉和硅藻土按照设定的摩尔比混合，配制摩尔比硅粉∶硅藻土＝1∶1的硅源；将硅源，镍片，碳微球粘结的碳纤维骨架逐层放入石墨坩埚中，层与层之间用碳毡隔开；将石墨坩埚放入高温管式炉，在氩气气氛下采用阶梯式升温：室温—800—1200℃，具体为：自室温以10～15℃的升温速率升温至800℃保温30min，然后以10～15℃的升温速率升温至1200℃并在此温度下进行反应2h，后随炉冷却至室温，得到Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料。
本实施例所制得的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料中碳化硅纳米线的直径～200nm，碳化硅纳米线顶端的镍颗粒直径～250nm。
实施例5
步骤1：选取碳纤维纸为碳纤维预制体作为骨架；以蔗糖作为碳源，配制浓度为70g/L的蔗糖溶液；
步骤2：将碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在均相反应器中反应，在200℃下进行反应5h，然后自然冷却至室温，干燥后得到碳微球粘结的碳纤维骨架，碳纤维表面的沉积碳层厚度约为3μm；其中，水热釜的体积填充度为50％。
步骤3：将硅粉和硅藻土按照设定的摩尔比混合，配制摩尔比硅粉∶硅藻土＝1.5∶1的硅源；将硅源、镍片与碳微球粘结的碳纤维骨架逐层放入石墨坩埚中，层与层之间用碳毡隔开；将石墨坩埚放入高温管式炉，在氩气气氛下采用阶梯式升温：室温—800—1300℃，具体为：自室温以10～15℃的升温速率升温至800℃保温30min，然后以10～15℃的升温速率升温至1300℃并在此温度下进行反应2h，后随炉冷却至室温，得到Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料。
本实施例所制得的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料中碳化硅纳米线的直径～500nm，碳化硅纳米线顶端的镍颗粒直径～600nm。
实施例6
步骤1：选取碳纤维纸为碳纤维预制体作为骨架；以蔗糖作为碳源，配制浓度为100g/L的蔗糖溶液；
步骤2：将碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在均相反应器中反应，在200℃下进行反应5h，然后自然冷却至室温，干燥后得到碳微球粘结的碳纤维骨架，碳纤维表面的沉积碳层厚度约为5μm；其中，水热釜的体积填充度为50％。
步骤3：将硅粉和硅藻土按照设定的摩尔比混合，配制摩尔比硅粉∶硅藻土＝2∶1的硅源；将硅源，镍片，碳微球粘结的碳纤维骨架逐层放入石墨坩埚中，层与层之间用碳毡隔开；将石墨坩埚放入高温管式炉，在氩气气氛下采用阶梯式升温：室温—800—1400℃，具体为：自室温以10～15℃的升温速率升温至800℃保温30min，然后以10～15℃的升温速率升温至1400℃并在此温度下进行反应3h，后随炉冷却至室温，得到Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料。
本实施例所制得的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料中碳化硅纳米线的直径1～2μm，碳化硅纳米线顶端的镍颗粒直径～4μm。
本发明以碳纤维作为骨架，采用均相水热反应在碳纤维表面沉积碳层，以泡沫镍作为镍源，以硅粉和硅藻土的混合物为硅源，经化学气相反应得到Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料。该复合材料中SiC纳米线呈辐射状分布于碳纤维表面，碳化硅纳米线直径为50～200nm，镍颗粒直径为80～250nm，纳米Ni颗粒位于SiC纳米线的顶端，该结构的复合材料不仅具有高的强度，高的比表面积、而且还具赋予了复合材料高的催化活性。该技术提供了一种简单、高效、低成本制备柔性Ni基催化电极的方法。
本发明所制备的Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料至少具备以下优点：在该方法中，Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料以碳纤维作为骨架，碳纤维之间利用水热沉积碳连接，形成一个高孔隙率、高强度的三维网络结构，碳纤维轻质高强导电的特点，是Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料的基础。通过升高温度使得泡沫镍在高温下形成镍蒸汽，镍蒸汽会附着在碳纤维预制体表面形成弥散分布的金属镍纳米颗粒；在化学气相反应中，SiCNWs呈放射状生长在碳纤维表面，金属镍颗粒分布于SiCNWs尖端，该结构不仅使复合材料具有高的比表面积，而且确保纳米镍颗粒在复合材料中的均匀分布，使复合材料在光/电催化应用中具有高的反应活性位点，赋予了Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料良好的光/电催化功能。此外，Cf/SiCNWs/Ni柔性电极材料在光/电催化时可多次重复使用。本发明提供了一种具有良好光/电催化性能的Cf/SiCNWs/Ni柔性复合电极材料及其简单、低成本的制备工艺。
Claims (10)
1.一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将生物质碳源溶于水中，配制碳源溶液；
2)将碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在均相反应器中反应，得到碳纤维骨架；
3)将硅粉和硅藻土混合，配制硅源；
4)将硅源、镍片和碳纤维骨架逐层放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入氩气气氛下，1200～1400℃下进行反应2～3h，冷却得到柔性电极材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中碳源溶液的浓度为50～100g/L。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中生物质碳源为葡萄糖或蔗糖。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中反应温度为180～200℃，反应时间为3～5h。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中反应完成后自然冷却至室温。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中碳纤维预制体为碳布或碳纤维纸。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中水热釜的体积填充度为50％。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中按照硅粉∶硅藻土＝(1～2)∶1的摩尔比将硅粉和硅藻土混合。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性电极材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中硅源与镍片之间、镍片与碳微球粘结的碳纤维骨架之间采用碳毡隔开；步骤4)中反应是在高温管式炉中进行；步骤4)中冷却具体为随炉冷却至室温。
10.一种如权利要求1-9中任意一项所述方法制备的碳纤维柔性电极材料，其特征在于，该材料中碳化硅纳米线在碳纤维表面放射状生长，碳化硅纳米线直径为50～200nm，镍颗粒直径为80～250nm，镍颗粒分布在碳化硅纳米线的顶端。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810394423.4A CN108550471B (zh) | 2018-04-27 | 2018-04-27 | 一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810394423.4A CN108550471B (zh) | 2018-04-27 | 2018-04-27 | 一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108550471A CN108550471A (zh) | 2018-09-18 |
| CN108550471B true CN108550471B (zh) | 2019-07-26 |
Family
ID=63512875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810394423.4A Active CN108550471B (zh) | 2018-04-27 | 2018-04-27 | 一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108550471B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108550471B (zh) * | 2018-04-27 | 2019-07-26 | 陕西科技大学 | 一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法 |
| CN110042408B (zh) * | 2019-04-23 | 2021-04-16 | 陕西科技大学 | 一种Ni/SiCNWs/CNFs柔性复合电极材料及其制备方法和应用 |
| CN113522262A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-10-22 | 陕西科技大学 | 一种可回收柔性二氧化钛/热解碳/碳纤维毡复合光催化材料及其制备方法和应用 |
| CN114870875A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-08-09 | 陕西科技大学 | 一种高催化活性Cf/SiC/Ni复合材料及其制备方法和应用 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102731119A (zh) * | 2012-07-05 | 2012-10-17 | 湖南金博复合材料科技有限公司 | 碳/碳/碳化硅复合材料坩埚及制备方法 |
| CN102730687A (zh) * | 2012-07-05 | 2012-10-17 | 浙江理工大学 | 以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法 |
| CN107128926A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-09-05 | 湖南大学 | 一种自支撑碳化物衍生炭纳米线的制备方法 |
| CN108550471A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-09-18 | 陕西科技大学 | 一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090230363A1 (en) * | 2007-11-14 | 2009-09-17 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Polymer composite |
| US10446329B2 (en) * | 2015-09-23 | 2019-10-15 | University Of Virginia Patent Foundation | Process of forming electrodes and products thereof from biomass |
-
2018
- 2018-04-27 CN CN201810394423.4A patent/CN108550471B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102731119A (zh) * | 2012-07-05 | 2012-10-17 | 湖南金博复合材料科技有限公司 | 碳/碳/碳化硅复合材料坩埚及制备方法 |
| CN102730687A (zh) * | 2012-07-05 | 2012-10-17 | 浙江理工大学 | 以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法 |
| CN107128926A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-09-05 | 湖南大学 | 一种自支撑碳化物衍生炭纳米线的制备方法 |
| CN108550471A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-09-18 | 陕西科技大学 | 一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 碳化硅纳米线及金属氧化物/氢氧化物复合材料在超级电容器中的应用研究;顾林;《中国博士学位论文全文数据库工程科技II辑》;20160127;C042-77 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108550471A (zh) | 2018-09-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108550471B (zh) | 一种碳纤维柔性电极材料及其制备方法 | |
| Kiani et al. | Non-precious metal electrocatalysts design for oxygen reduction reaction in polymer electrolyte membrane fuel cells: Recent advances, challenges and future perspectives | |
| Zhu et al. | Self-assembled Fe-N-doped carbon nanotube aerogels with single-atom catalyst feature as high-efficiency oxygen reduction electrocatalysts | |
| Wang et al. | Small and well-dispersed Cu nanoparticles on carbon nanofibers: self-supported electrode materials for efficient hydrogen evolution reaction | |
| CN106229521B (zh) | 一种FeCx@NC核壳结构催化剂及其制备方法 | |
| He et al. | Ni2P@ carbon core-shell nanorod array derived from ZIF-67-Ni: Effect of phosphorization temperature on morphology, structure and hydrogen evolution reaction performance | |
| Sha et al. | Controlled synthesis of platinum nanoflowers supported on carbon quantum dots as a highly effective catalyst for methanol electro-oxidation | |
| Yu et al. | Fibrous-root-inspired design and lithium storage applications of a Co–Zn binary synergistic nanoarray system | |
| CN106829924A (zh) | 一种一维多孔碳纳米管的制备方法 | |
| CN106252616A (zh) | 一种硒化镍/中空碳纤维复合材料及其制备方法 | |
| Lv et al. | Integrating mixed metallic selenides/nitrogen-doped carbon heterostructures in one-dimensional carbon fibers for efficient oxygen reduction electrocatalysis | |
| CN109701545A (zh) | 一种负载钒钴合金纳米颗粒的电催化材料及其制备方法 | |
| Lv et al. | Graphdiyne-anchored ultrafine NiFe hydroxide nanodots electrocatalyst for water oxidation with high mass activity and superior durability | |
| Feng et al. | Ultrafine VN nanoparticles confined in Co@ N-doped carbon nanotubes for boosted hydrogen evolution reaction | |
| Zhang et al. | Engineering electrocatalytic fiber architectures | |
| Yuan et al. | Beads‐on‐string hierarchical structured electrocatalysts for efficient oxygen reduction reaction | |
| CN103259023B (zh) | 一种氢燃料电池电极材料制备方法 | |
| Litkohi et al. | Synthesis of Pt-Ni-Fe/CNT/CP nanocomposite as an electrocatalytic electrode for PEM fuel cell cathode | |
| Lan et al. | Bimetallic zeolitic imidazole framework derived Co@ NC materials as oxygen reduction reaction catalysts application for microbial fuel cells | |
| Jiang et al. | 2D coordination polymer-derived CoSe 2–NiSe 2/CN nanosheets: the dual-phase synergistic effect and ultrathin structure to enhance the hydrogen evolution reaction | |
| Li et al. | Porous biomass-derived carbon modified by Cu, N co-doping and Cu nanoparticles as high-efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction and zinc-air battery | |
| CN112725819A (zh) | 一种钨钼基氮碳化物纳米材料及其制备方法与应用 | |
| Tong et al. | Molybdenum disulfide nanoflakes covered carbonized catkin microtube hybrids as superior catalysts for electrochemical hydrogen evolution | |
| CN114042468A (zh) | 一种核壳结构Fe2P@C-Fe3C电催化剂及其制备方法和应用 | |
| Cao et al. | Pt/XC-72 catalysts coated with nitrogen-doped carbon (Pt/XC-72@ C–N) for methanol electro-oxidation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |