CN112642589A - 一种电极及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种电极及其制备方法和应用，其中，一种电极，包括电极本体，所述电极本体上设置碳纳米管。本发明通过对高压放电的电极进行改性，将碳纳米管负载在电极本体的表面；利用碳纳米管的场致发射原理，达到即使在较低的电压下，也能有效形成等离子体的目的，即在同样尺寸的电极本体情况下，能实现更低电压的电晕放电，同时促使局部较大电场的场强大幅度降低，进而大幅度降低系统的臭氧含量与打火概率，效果显著。

Description

一种电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及电极领域，具体涉及一种具有低起晕电压的电极材料及其制备方法。

背景技术

静电式空气净化器采用高压直流电压、电晕放电的等离子体使空气中的污染颗粒物带上电荷，在库仑力的作用下，从空气中分离出来。为降低起晕电压，放电电极被设计成细丝状、针状、芒刺状或星型等具有较大曲率的形状结构，局部形成较大的畸变电场，能在较低的电压下产生稳定的放电。例如专利号为CN201921828831.2的专利，设计的是螺旋电极。专利号为CN201721858188.9则设计成立体多点式电极。

以上设计由于只是材料形状结构上的改变，相对容易实现，因此在工业上得到大量的应用。但通过结构的优化，其本质上并没有改变放电时等离子体的能量。因此，采用结构优化的电极结构应用到静电式空气净化器中时，往往会造成异常的打火及臭氧含量超标等问题，通常需要额外设计防打火系统以及臭氧还原网等结构。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中通过结构改进后的电极在应用时通常会出现臭氧含量超标等缺陷，从而提供一种有效降低起晕电压进而避免异常打火，且有效降低臭氧含量的电极及其制备方法。

一种电极，包括电极本体，在所述电极本体上设置碳纳米管。

所述电极本体为线状电极、芒刺状电极或针状电极。

所述针状电极的尖端设置碳纳米管，尖端的长度为0.5-1cm。

所述电极本体的材质为含铁、镍的合金材质；优选的，所述电极本体的材质为不锈钢材质；优选的，所述电极本体的材质为304不锈钢。

一种电极的制备方法，包括：获取电极本体，在电极本体的表面生长碳纳米管。

所述碳纳米管采用热化学气相沉积法生长在电极本体上；

所述热化学气相沉积法的过程为：将电极本体在惰性气体条件下升温至催化温度，然后通入含有机气体和惰性气体的混合气进行碳纳米管的生长，生长完成后仅仅只通入惰性气体至温度降至室温即可。

所述热化学气相沉积法在CVD管式炉中进行。

所述有机气体为甲烷、苯、二甲苯或乙炔，催化温度为750℃以上，催化生长时间为1-1.5小时；所述混合气中惰性气体与乙炔的质量占比为(7-10)∶1。

在进行所述热化学气相沉积法之前，还包括催化剂处理步骤；

所述催化剂处理步骤为：采用含锡的有机溶液，浸润电极本体后，干燥，在700-800℃的真空条件下锻烧15-30分钟；至少重复1次上述浸润、干燥和锻烧步骤。

所述含锡的有机溶液浓度不高于15wt％；优选的，所述含锡的有机溶液为含氯化亚锡的无水乙醇溶液。

具体的，含氯化亚锡的无水乙醇溶液浓度为15％时，只需重复1次催化剂处理步骤即可，当含氯化亚锡的无水乙醇溶液浓度为10％时，只需重复3～4次即可。本发明中当含氯化亚锡的无水乙醇溶液的浓度越高时，重复次数应当越少，此时即可有效同时保证催化剂的覆盖量和均匀度，避免改性后的材料起晕电压升高。

所述电极本体为针状电极时，至少浸润电极本体的尖端。

在进行所述热化学气相沉积法之前，还包括除杂步骤；所述除杂步骤为：将电极本体放于乙醇中，超声处理后烘干即可。

所述除杂步骤中超声时间为至少5min；除杂步骤重复3-5次。

本发明还包括上述电极以及上述制备方法得到的电极在空气净化器中的应用。

优选的，所述空气净化器为静电式空气净化器。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的电极通过对高压放电的电极本体进行改性，将碳纳米管负载在电极本体的放电部位表面，利用碳纳米管的场致发射原理，达到即使在较低的电压下，也能有效形成等离子体的目的；即在同样尺寸的电极本体情况下，能实现更低电压的电晕放电，同时促使局部较大电场的场强大幅度降低，间接性平衡了电场。此外，由于空气击穿与局部电场强度有关，空气击穿会增大系统的打火概率，同时使产生的臭氧的浓度升高；因此，通过降低局部较大场强将大幅度降低系统的臭氧含量与打火概率，效果显著。所以对于静电式空气净化器而言，使用该电极则可以有效解决异常的打火及臭氧含量超标的问题，还省略了防打火系统以及臭氧还原网的设置，大幅降低了成本。

2.本发明提供的电极，电极本体优选为针状电极，之所以选择针状，是因为可以仅仅利用针状电极的针状尖端来达到设置碳纳米管的目的，因此可以有效减少碳纳米管的设置面积，降低生产成本，且仅仅尖端设置碳纳米管的方式，能够降低生长的碳纳米管不均匀的几率，进而提高稳定性，同时降低制备的复杂程度。

3.本发明提供的制备方法，可以有效制备出负载若干碳纳米管的电极本体，通过该方法制备得到的电极具有降低系统的臭氧含量与打火概率的效果；并且本发明的制备方法优选采用热化学气相沉积法，结合针状电极的设置，能够实现电极本体上碳纳米管的制备成本更低的目的。

4.本发明提供的制备方法中，电极本体的材质优选为不锈钢，进一步优选为304不锈钢，是因为通过研究发现：选择304材质不锈钢可以有效促进碳纳米管的生长效率。此外，结合制备方法中利用含锡的有机溶液进一步对电极本体进行处理的方式，可以使制备得到的电极上的碳纳米管分布更均匀，具有成本低廉、稳定性更高、制备工艺更加简单等优点。并且，通过在电极本体上添加的锡元素，结合电极本体的铁镍，实现相互配合催化生长碳纳米管的目的，可以在更短的时间以及更低的催化温度下使电极本体生长出碳纳米管，提高生产效率。

5.本发明还公开了该电极在静电式空气净化器中的应用，由于现有技术中的应用到静电式空气净化器的电极存在较高的臭氧含量与打火概率，因此，现有的静电式空气净化器中需要在电控电路中设置限流程序，当系统中产生打火时，将系统的整体电压降低，待打火消失后再重新提升电压，极大的影响净化器的工作效率；本采用本发明中的电极应用到静电式空气净化器中后，可以取消防打火系统，电路设计更简单，净化器工作效率更高。同时，现有的静电式空气净化器中，由于臭氧含量超过标淮要求，需要添加臭氧还原网，采用本发明的电极应用到静电式空气净化器中后，不需要添加臭氧还原网，且本发明的电极并不改变电极本身的形状，因此，可以保持静电式空气净化器中放电电极部位设计不变；经过取消防打火电控与臭氧还原网后，净化器内部还将产生较大的空间空余，更加方便电控布线、变压器大小、风道等的优化改进。因此，本发明中的电极应用到静电式空气净化器中后，具有体积进一步缩小、效率进一步提高的可行性，效果十分优异。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中制备得到的电极的SEM电镜图。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

本实施例公开了一种电极，包括电极本体，以及包覆于电极本体上的碳纳米管，对于碳纳米管的包覆，可以选择对电极本体进行全部包覆，也可以选择对电极本体的部分进行包覆，当选择进行部分包覆时，包覆位置应该满足未来在电极使用时，包覆位置为对应的电极放电位置。

本发明中电极本体上生长出碳纳米管的方式有多种，可以是丝网印刷法、自组装、模版法、热化学气相沉积法等。

其中，丝网印刷法：将碳纳米管分散在特定的浆料中，用丝网印刷的方法将其印制在电极上，然后去除溶剂并烧结清除粘合剂，使之与浆料中的金属粉末一起附着在电极表面。丝网印刷法难以精确控制结构尺寸和厚度，烧结后形成的复合电极均匀性和一致性较差，有机残留物难以完全除去。自组装：一维纳米材料进行表面改性，然后通过一定的物理、化学机制自组装至电极表面；此法工业化较难，成本较高。模版法：利用三氧化二铝的纳米孔，首先在纳米孔的一端溅射沉积金属，再用电镀的方法在纳米孔里电镀镍，得到镍纳米线，纳米线的长度可以通过电镀的时间和电流来控制，但缺点是无法控制纳米线的分布密度，局限于三氧化二铝原本纳米孔的密度；此法成本较高，难以实现。

因此，本实施例中优选采用热化学气相沉积法实现电极本体上碳纳米管的包覆。本发明中采用热化学气相沉积法进行碳纳米管的生长时，利用的原料有机气体可以是甲烷、苯、二甲苯、乙炔这类具有高含碳量的气体，不同的气体催化温度不同，只要达到催化温度，以上各类气体均能实现碳纳米管的催化生成。

本实施例中以针状电极为例，在该针状电极的针尖位置生长碳纳米管的方法如下，其制备得到的碳纳米管的显微结构如图1所示。

本实施例中电极的具体制备过程为：

步骤一、获取不锈钢针，将不锈钢针放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤3次；

步骤二、催化剂处理：获取质量分数浓度控制在15％的氯化亚锡的无水乙醇溶液，将其浸润不锈钢的针尖后，浸润的针尖的长度为0.8cm，自然晾干，在750℃的真空条件下经过20分钟锻烧；重复上述浸润、晾干和锻烧的步骤1次；

步骤三、碳纳米管的生成：将催化剂处理后的不锈钢针放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到750℃，改通惰性气体与乙炔的混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为9：1，并保持1.5小时；停止乙炔，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

本实施例中具有催化剂处理的步骤，该催化剂处理的步骤中采用含锡溶液是由于处理后可以获得Fe-Sn-O的复合催化体系，采用离子锡经过催化剂处理步骤最后的结果也是被还原成金属锡在使用，所以，采用金属锡形成涂层效果也基本一致。本实施例中采用溶液浸润后煅烧的方式，相对采用金属锡直接形成涂层而言，其分散均匀性更有保证，效果较好，因此，本实施例中优选采用含锡溶液经过催化剂处理在电极上形成Fe-Sn-O的复合催化体系的方式，其能更加有效的在电极表面生成碳纳米管，在有效降低电晕电压的同时还能有效降低臭氧含量，效果显著。

实施例2

一种电极，包括针状的电极本体，且在该电极本体上生长出碳纳米管。具体制备过程为：

步骤一、获取不锈钢针，将不锈钢针放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤5次；

步骤二、催化剂处理：获取质量分数浓度控制在13％的氯化亚锡的无水乙醇溶液，将其浸润不锈钢的针尖后，浸润的针尖的长度为1cm，自然晾干，在700℃的真空条件下经过30分钟锻烧；重复上述浸润、晾干和锻烧的步骤2次；

步骤三、碳纳米管的生成：将催化剂处理后的不锈钢针放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到750℃，改通惰性气体与乙炔的混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为9：1，并保持1小时；停止乙炔，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

实施例3

一种电极，包括针状的电极本体，且在该电极本体上生长出碳纳米管。具体制备过程为：

步骤一、获取不锈钢针，将不锈钢针放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤5次；

步骤二、催化剂处理：获取质量分数浓度控制在10％的氯化亚锡的无水乙醇溶液，将其浸润不锈钢的针尖后，浸润的针尖的长度为0.5cm，自然晾干，在800℃的真空条件下经过15分钟锻烧；重复上述浸润、晾干和锻烧的步骤3次；

步骤三、碳纳米管的生成：将催化剂处理后的不锈钢针放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到750℃，改通惰性气体与乙炔的混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为9：1，并保持1小时；停止乙炔，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

实施例4

一种电极，包括针状的电极本体，且在该电极本体上生长出碳纳米管。具体制备过程为：

步骤一、获取不锈钢针，将不锈钢针放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤3次；

步骤二、催化剂处理：获取质量分数浓度控制在15％的氯化亚锡的无水乙醇溶液，将其浸润不锈钢的针尖后，浸润的针尖的长度为0.8cm，自然晾干，在750℃的真空条件下经过20分钟锻烧；重复上述浸润、晾干和锻烧的步骤1次；

步骤三、碳纳米管的生成：将催化剂处理后的不锈钢针放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到750℃，改通惰性气体与乙炔的混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为10：1，并保持1.5小时；停止乙炔，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

实施例5

一种电极，包括针状的电极本体，且在该电极本体上生长出碳纳米管。具体制备过程为：

步骤一、获取不锈钢针，将不锈钢针放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤3次；

步骤二、催化剂处理：获取质量分数浓度控制在15％的氯化亚锡的无水乙醇溶液，将其浸润不锈钢的针尖后，浸润的针尖的长度为0.8cm，自然晾干，在750℃的真空条件下经过20分钟锻烧；重复上述浸润、晾干和锻烧的步骤1次；

步骤三、碳纳米管的生成：将催化剂处理后的不锈钢针放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到750℃，改通惰性气体与乙炔的混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为7：1，并保持1.5小时；停止乙炔，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

实施例6

一种电极，包括针状的电极本体，且在该电极本体上生长出碳纳米管。具体制备过程为：

步骤一、获取不锈钢针，将不锈钢针放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤3次；

步骤二、催化剂处理：获取质量分数浓度控制在20％的氯化亚锡的无水乙醇溶液，将其浸润不锈钢的针尖后，浸润的针尖的长度为0.8cm，自然晾干，在750℃的真空条件下经过20分钟锻烧；重复上述浸润、晾干和锻烧的步骤1次；

步骤三、碳纳米管的生成：将催化剂处理后的不锈钢针放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到750℃，改通惰性气体与乙炔的混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为9：1，并保持1.5小时；停止乙炔，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

实施例7

一种电极，包括针状的电极本体，且在该电极本体上生长出碳纳米管。具体制备过程为：

步骤一、获取不锈钢针，将不锈钢针放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤3次；

步骤二、碳纳米管的生成：将清洗后的不锈钢针放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到900℃，改通惰性气体与乙炔的混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为9：1，并保持3小时；停止乙炔，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

实施例8

一种电极，包括线状的电极本体，且在该电极本体上生长出碳纳米管。具体制备过程为：

步骤一、获取线状电极，将线状电极放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤3次；

步骤二、催化剂处理：获取质量分数浓度控制在13％的氯化亚锡的无水乙醇溶液，将其浸润线状电极后，自然晾干，在700℃的真空条件下经过30分钟锻烧；重复上述浸润、晾干和锻烧的步骤2次；

步骤三、碳纳米管的生成：将催化剂处理后的线状电极放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到800℃，改通惰性气体与苯的混合气，本实施例中由于苯在常温下是液态，此处需要将苯的温度升高到沸点以上使其形成气态有机物，然后采用该气态有机物与惰性气体混合形成混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为8：1，并保持1.5小时；停止苯的通入，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

本实施例制备得到的电极与线状的电极本体相比，其具有更低的起晕电压，并且臭氧含量也明显降低。

实施例9

一种电极，包括芒刺状的电极本体，且在该电极本体上生长出碳纳米管。具体制备过程为：

步骤一、获取芒刺状电极，将芒刺状电极放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤3次；

步骤二、催化剂处理：获取质量分数浓度控制在13％的氯化亚锡的无水乙醇溶液，将其浸润芒刺状电极后，自然晾干，在700℃的真空条件下经过30分钟锻烧；重复上述浸润、晾干和锻烧的步骤2次；

步骤三、碳纳米管的生成：将催化剂处理后的芒刺状电极放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到800℃，改通惰性气体与苯的混合气，本实施例中由于苯在常温下是液态，此处需要将苯的温度升高到沸点以上使其形成气态有机物，然后采用该气态有机物与惰性气体混合形成混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为8：1，并保持1.5小时；停止苯的通入，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

本实施例制备得到的电极与芒刺状的电极本体相比，其具有更低的起晕电压，并且臭氧含量也明显降低。

对比例1

一种电极，包括针状的电极本体，且在该电极本体上生长出碳纳米管。具体制备过程为：

步骤一、获取不锈钢针，将不锈钢针放于乙醇中，超声5min，烘干；重复此步骤3次；

步骤二、碳纳米管的生成：将清洗后的不锈钢针放入CVD高温炉中，通惰性气体并升温，升温到750℃，改通惰性气体与乙炔的混合气，混合气中惰性气体与乙炔的质量比为9：1，并保持1.5小时；停止乙炔，保持惰性气体的通入，直至降至室温即可。

试验例

采用实施例1-7制备得到的电极作为试验例，除上述对比例1外，采用不进行处理的实施例1中的针状的电极本体作为对比例2，进行起晕电压、臭氧含量的检测。

其中，起晕电压的具体检测过程为：针尖与极板间距设定为5mm，通过示波器+微安电流表进行检测，当发射电流稳定在1mA左右时对应的电压为“起晕电压”。

臭氧含量的测试方法与标准为：GB/T 14295-2019。

具体检测结果如下表1所示：

表1

	起晕电压	臭氧含量
			实施例1	2.5	20
实施例2	2.4	15
			实施例3	2.0	12
实施例4	3.5	30
			实施例5	2.9	35
实施例6	3.5	40
			实施例7	4.5	55
对比例1	5.7	78
			对比例2	6	70

通过上述检测结果可知，不做改性的不锈钢针的对比例2的起晕电压为6KV；对比例1中由于不锈钢中的Fe没有经过还原处理且并未负载锡，此时催化效率相对较差，在750℃时达不到催化温度，无法不锈钢上无法生产碳纳米管，因此，对比例1在750℃下的不锈钢上生产碳纳米管，效率极低，达不到生产碳纳米管的目的。为了达到有效在不锈钢针的针尖表面生成碳纳米管，实施例7中将温度升高到900℃，同时保持3个小时通气的操作，实现了碳纳米管的生成，有效降低了起晕电压和臭氧含量。即，当采用对不锈钢针进行碳纳米管改性后，根据改性效果的不同，起晕电压处于2～5KV之间，并且臭氧含量明显降低，达到了本发明的目的。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种电极，包括电极本体，其特征在于，在所述电极本体上设置碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极本体为线状电极、芒刺状电极或针状电极。

3.根据权利要求2所述的电极，其特征在于，所述针状电极的尖端设置碳纳米管，尖端的长度为0.5-1cm。

4.根据权利要求3所述的电极，其特征在于，所述电极本体的材质为含铁、镍的合金材质；优选的，所述电极本体的材质为不锈钢材质；优选的，所述电极本体的材质为304不锈钢。

5.如权利要求1-4任一所述的电极的制备方法，其特征在于，包括：获取电极本体，在电极本体的表面生长碳纳米管。

6.根据权利要求5所述的电极的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管采用热化学气相沉积法生长在电极本体上；

所述热化学气相沉积法的过程为：将电极本体在惰性气体条件下升温至催化温度，然后通入含有机气体和惰性气体的混合气进行碳纳米管的生长，生长完成后仅仅只通入惰性气体至温度降至室温即可。

7.根据权利要求6所述的电极的制备方法，其特征在于，所述热化学气相沉积法在CVD管式炉中进行。

8.根据权利要求6或7所述的电极的制备方法，其特征在于，所述有机气体为甲烷、苯、二甲苯或乙炔，催化温度为750℃以上，催化生长时间为1-1.5小时；所述混合气中惰性气体与乙炔的质量占比为(7-10)∶1。

9.根据权利要求6-8任一所述的电极的制备方法，其特征在于，在进行所述热化学气相沉积法之前，还包括催化剂处理步骤；

所述催化剂处理步骤为：采用含锡的有机溶液，浸润电极本体后，干燥，在700-800℃的真空条件下锻烧15-30分钟；至少重复1次上述浸润、干燥和锻烧步骤。

10.根据权利要求9所述的电极的制备方法，其特征在于，所述含锡的有机溶液的浓度不高于15wt％；优选的，所述含锡的有机溶液为含氯化亚锡的无水乙醇溶液。

11.根据权利要求9或10所述的电极的制备方法，其特征在于，所述电极本体为针状电极时，至少浸润电极本体的尖端。

12.根据权利要求6-11任一所述的电极的制备方法，其特征在于，在进行所述热化学气相沉积法之前，还包括除杂步骤；所述除杂步骤为：将电极本体放于乙醇中，超声处理后烘干即可。

13.根据权利要求12所述的电极的制备方法，其特征在于，所述除杂步骤中超声时间为至少5min；除杂步骤重复3-5次。

14.根据权利要求1-4任一所述的电极以及权利要求5-13任一所述的制备方法得到的电极在空气净化器中的应用；优选的，所述空气净化器为静电式空气净化器。

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