CN111883781B - 一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，以石墨毡作为基体材料，通过涂覆镍盐和阶段升温烧结的方式刻蚀石墨毡表面，并引入大量氧官能团和催化剂镍，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极。优点是：本发明操作简单、快捷，价格低廉，且对制备环境要求较低，降低了液流电池的制备成本。采用本发明方法制备的活性石墨毡作为电极的铁铬液流电池，电池的效率提高，容量损失降低，从而使铁铬液流电池的电化学性能提高，稳定性增强。

Description

一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法
技术领域
本发明属于氧化还原液流电池领域，尤其涉及一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法。
背景技术
环境污染和能源短缺已逐渐成为限制我国经济和社会可持续发展的重大障碍，而加强太阳能、风能等可再生能源及核能的开发和利用及节能降耗是解决这两大问题的重要途径，风能、太阳能等可再生能源技术取得突破并实现规模化应用。氧化还原液流电池则是这些可再生能源发电系统最好的配套储能系统。氧化还原液流电池启动速度快，储能容量大，充放电完全，绿色环保无污染。其中，电极是电池的关键部件，石墨毡作为碳电极材料的一种，具有成本低，稳定性好等特点。但其亲水性和电化学活性还有待进一步提高。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，该方法是将石墨毡表面均匀涂覆镍盐溶液，再利用阶段升温法刻蚀石墨毡并向其中引入大量含氧官能团和催化剂镍，达到提高活性位点数量的目的，使液流电池容量、效率和使用寿命大幅提高。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，以石墨毡作为基体材料，通过涂覆镍盐和阶段升温烧结的方式刻蚀石墨毡表面，并引入大量氧官能团和催化剂镍，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极，具体包括以下步骤：
1)向分析纯级的镍盐晶体与石墨毡的混合物中添加水，磁力搅拌20-40min至完全溶解，得到镍盐溶液；所述的石墨毡与镍盐晶体的质量比为1:20～1:4；
2)将配制的镍盐溶液均匀涂覆在石墨毡表面；
3)将涂覆有镍盐溶液的石墨毡置于高温炉中，以5-15℃/min的升温速率升温至250-350℃，保温50-70min，再以15-25℃/min的升温速率升温至400-500℃，保温50-70min，后随炉自然降温至室温，取出，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极。
步骤2)中镍盐溶液体积大于石墨毡体积。
所述的镍盐晶体的纯度为99.0％以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法操作简单、快捷，价格低廉，且对制备环境要求较低，降低了液流电池的制备成本，为液流电池商业化应用提供可能。采用本发明方法制备的活性石墨毡作为电极的铁铬液流电池，电池的效率提高，容量损失降低，从而使铁铬液流电池的电化学性能提高，稳定性增强。
具体实施方式
下面对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，以石墨毡作为基体材料，通过涂覆镍盐和阶段升温烧结的方式刻蚀石墨毡表面，并引入大量氧官能团和催化剂镍，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极，具体包括以下步骤：
1)向分析纯级的镍盐晶体与石墨毡的混合物中添加水，磁力搅拌20-40min至完全溶解，得到镍盐溶液；所述的石墨毡与镍盐晶体的质量比为1:20～1:4；镍盐晶体的纯度为99.0％以上。
2)将配制的镍盐溶液均匀涂覆在石墨毡表面，镍盐溶液体积大于石墨毡体积。
3)将涂覆有镍盐溶液的石墨毡置于高温炉中，以5-15℃/min的升温速率升温至250-350℃，保温50-70min，再以15-25℃/min的升温速率升温至400-500℃，保温50-70min，后随炉自然降温至室温(25℃)，取出，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极。
铁铬液流电池的离子交换膜为Nafion 115，正负极电解液均采用1mol/L Fe2++1mol/L Cr3++3mol/L HCl，电极采用本发明方法制备的活性石墨毡电极。
实施例1
一种镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极制备方法，以石墨毡作为基体材料，通过涂覆镍盐溶液和阶段升温烧结的方式刻蚀石墨毡表面，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极，其具体操作如下：
1)以质量百分比计，称取石墨毡质量5％的纯度为99.0％的镍盐晶体，并添加适量水，磁力搅拌20min至完全溶解，得到镍盐溶液；
2)将配制的镍盐溶液均匀涂覆在洁净的石墨毡表面；
3)将涂覆镍盐溶液的石墨毡置于高温炉中，以10℃/min的升温速率升温至300℃，保温60min，再以20℃/min的升温速率升温至400℃，保温60min，后随炉自然降温、取出，即得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极。
本实施例制备的活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为197mA/cm2、阻抗为1.23Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高1.76倍，阻抗降低57.14％；负极氧化峰电流值为186mA/cm2、阻抗为0.89Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高3.32倍，阻抗降低47.34％。
实施例2
一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，以石墨毡作为基体材料，通过涂覆镍盐溶液和阶段升温烧结的方式刻蚀石墨毡表面并引入大量氧官能团和催化剂镍，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极，其具体操作步骤如下：
1)以质量百分比计，称取石墨毡质量10％的纯度为99.0％的镍盐晶体，并添加适量水，磁力搅拌20min至完全溶解，得到镍盐溶液；
2)将配制的镍盐溶液均匀涂覆在洁净的石墨毡表面；
3)将涂覆镍盐溶液的石墨毡置于高温炉中，以10℃/min的升温速率升温至300℃，保温60min，再以20℃/min的升温速率升温至400℃，保温60min，后随炉自然降温、取出，即得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极。
本实施例制备的活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为218mA/cm2、阻抗为1.78Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高1.95倍，阻抗降低37.98％；负极氧化峰电流值为207mA/cm2、阻抗为1.24Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高3.70倍，阻抗降低26.63％。
实施例3
一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，以石墨毡作为基体材料，通过涂覆镍盐溶液和阶段升温烧结的方式刻蚀石墨毡表面并引入大量氧官能团和催化剂镍，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极，其具体操作步骤如下：
1)以质量百分比计，称取石墨毡质量15％的分析纯级的镍盐晶体，并添加适量水，磁力搅拌20min至完全溶解，得到镍盐溶液；
2)将配制的镍盐溶液均匀涂覆在洁净的石墨毡表面；
3)将涂覆镍盐溶液的石墨毡置于高温炉中，以10℃/min的升温速率升温至300℃，保温60min，再以20℃/min的升温速率升温至400℃，保温60min，后随炉自然降温、取出，即得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极。
本实施例制备的活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为237mA/cm2、阻抗为2.22Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高2.12倍，阻抗降低22.65％；负极氧化峰电流值为218mA/cm2、阻抗为1.39Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高3.89倍，阻抗降低17.75％。
实施例4
一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，以石墨毡作为基体材料，通过涂覆镍盐溶液和阶段升温烧结的方式刻蚀石墨毡表面并引入大量氧官能团和催化剂镍，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极，其具体操作步骤如下：
1)以质量百分比计，称取石墨毡质量18％的分析纯级(99％)的镍盐晶体，并添加适量水，磁力搅拌30min至完全溶解，得到镍盐溶液；
2)将配制的镍盐溶液均匀涂覆在洁净的石墨毡表面；
3)将涂覆镍盐溶液的石墨毡置于高温炉中，以12℃/min的升温速率升温至320℃，保温55min，再以22℃/min的升温速率升温至450℃，保温50min，后随炉自然降温、取出，即得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极。
本实施例制备的活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为226mA/cm2、阻抗为1.87Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高1.86倍，阻抗降低46.25％；负极氧化峰电流值为224mA/cm2、阻抗为1.12Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高3.45倍，阻抗降低22.58％。

Claims (3)

1.一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，其特征在于，以石墨毡作为基体材料，通过涂覆镍盐和阶段升温烧结的方式刻蚀石墨毡表面，并引入大量氧官能团和催化剂镍，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极，具体包括以下步骤：
1）向分析纯级的镍盐晶体与石墨毡的混合物中添加水，磁力搅拌20-40min至完全溶解，得到镍盐溶液；所述的石墨毡与镍盐晶体的质量比为1:20~1:4；
2）将配制的镍盐溶液均匀涂覆在石墨毡表面；
3）将涂覆有镍盐溶液的石墨毡置于高温炉中，以5-15℃/min的升温速率升温至250-350℃，保温50-70min，再以15-25℃/min的升温速率升温至400-500℃，保温50-70min，后随炉自然降温至室温，取出，得到镍盐刻蚀的液流电池用活性石墨毡电极；
在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，
正极氧化峰电流值为197mA/cm2、阻抗为1.23Ω·cm2，负极氧化峰电流值为186mA/cm2、阻抗为0.89Ω·cm2；
或正极氧化峰电流值为218mA/cm2、阻抗为1.78Ω·cm2，负极氧化峰电流值为207mA/cm2、阻抗为1.24Ω·cm2；
或正极氧化峰电流值为237mA/cm2、阻抗为2.22Ω·cm2，负极氧化峰电流值为218mA/cm2、阻抗为1.39Ω·cm2；
或正极氧化峰电流值为226mA/cm2、阻抗为1.87Ω·cm2，负极氧化峰电流值为224mA/cm2、阻抗为1.12Ω·cm2。
2.根据权利要求1所述的一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，其特征在于，步骤2）中镍盐溶液体积大于石墨毡体积。
3.根据权利要求1所述的一种镍盐刻蚀石墨毡电极的活化方法，其特征在于，所述的镍盐晶体的纯度为99.0%以上。
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