[发明专利]碳纳米管阵列/碳纤维织物一体化三维多孔空气电极的制备方法

权利要求书

1.一种碳纳米管阵列/碳纤维织物一体化三维多孔空气电极的制备方法，其所述制备方法是以一侧表面处理的碳纤维织物为生长基底，在所述基体上沉积有碳纳米管阵列，并以所述碳纳米管为催化剂载体，通过电沉积法担载纳米级MnO₂颗粒，形成三维多孔空气电极。

2.如权利要求1所述的制备方法，其所述方法是按下列步骤进行的：

⑴ 碳纤维织物的预处理

首先，制备碳纤维织物表面的涂层浆料：以导电炭黑与氧化性酸的铵盐按其质量比为1︰0.01-2混合，在100ml去离子水溶液中超声分散0.5-3h，然后在20-50℃恒温下搅拌10-30h，抽滤、蒸馏水洗涤5-10次，真空80-120℃干燥至恒重，即得改性炭黑；以改性炭黑、硅溶胶与含有铁基、钴基和镍基的无机金属化合物中的一种，按其质量比为1︰100-200︰10-250混合，常温下搅拌12-72h，制得均匀混合的油墨状浆料为涂层浆料；

其次，将碳纤维织物表面清洗干净，将制备的涂层浆料均匀涂覆在碳纤维织物的一表面，在20-50℃空气中干燥1-3h，此过程重复3-10次，使织物表面均匀平整，然后置入管式反应器，在氩气保护下升温至500-900℃烧结固化，保温0.5-5h后，获得碳纤维织物基体；

⑵ 碳源与催化剂前驱体混合溶液的制备

以含苯类物质为碳源，以含有铁基、钴基和镍基的有机金属化合物中的一种或其混合物为催化剂前驱体，进行搅拌混合0.5-5h，金属离子在碳源中的浓度为0.01-0.5g/mL，然后超声分散10-120min，制得碳源与催化剂前驱体的混合溶液；

⑶ 碳纤维织物基体炭黑层上碳纳米管阵列的定向沉积

将步骤⑴处理获得的碳纤维织物基体置于管式反应器中，采用化学气相沉积法，以氩气、氮气和氦气的一种或其混合物与氢气按体积比为1:1-20:1的混合气体为载气，以1-20℃/min的速率升温至600-1000℃；将步骤⑵制得的碳源与催化剂前驱体混合溶液及载气以其线速度为1-150m/h注射到反应器中，沉积时间5-180min，关闭载气中的氢气源，在载气保护下降至室温，得到定向生长的碳纳米管阵列/碳纤维织物复合体；

⑷ 碳纳米管阵列上MnO₂的电化学沉积

将步骤⑶制备的碳纳米管阵列/碳纤维织物复合体置于管式反应器中进行高温纯化，在空气气氛中以1-10℃/min的速率升温至300-600℃，恒温焙烧1-6h；以0.1-5mol/L的硫酸锰和0.1-5mol/L的高锰酸钾的混合液作为电解液，以碳纳米管阵列/碳纤维织物复合体为工作电极，铂丝为对电极，银离子电极作为参比电极，沉积时间为1-360min，制得MnO₂为活性物的碳纳米管阵列/碳纤维织物一体化三维多孔空气电极。

3.如权利要求1或2所述的制备方法，其所述方法制备的三维多孔空气电极是以一侧表面处理的碳纤维织物为生长基底，在基底上生长长度为10-1000μm，直径为10-200nm的碳纳米管阵列，排列密度约为1×10²¹-200×10²¹根/m²，在碳纳米管表面均匀沉积直径为5-100nm的MnO₂颗粒。

4.如权利要求2所述的制备方法，其所述氧化性酸的铵盐是硝酸铵、硫酸铵、氯酸铵、过硫酸铵、过硼酸铵和过碳酸铵中的一种。

5.如权利要求2所述的制备方法，其所述硅溶胶是酸性硅溶胶，或是碱性硅溶胶，其固含量为20%-40%。

6.如权利要求2所述的制备方法，其所述无机金属化合物是硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、碳酸铁、碳酸钴、碳酸镍、氯化铁、氯化钴、氯化镍、氢氧化铁、氢氧化钴或氢氧化镍。

7.如权利要求1或2所述的制备方法，其所述碳纤维织物是导电碳纸和导电碳布中的一种。

8.如权利要求2所述的制备方法，其所述含苯类物质是苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、苯乙烯、苯甲醇、苯甲醛、苯甲醚、苯甲胺或苯甲腈。

9.如权利要求2所述的制备方法，其所述有机金属化合物是二茂铁、二茂钴、二茂镍、羰基铁、羰基钴、羰基镍、草酸铁、草酸镍、甲酸铁、甲酸钴、甲酸镍、醋酸铁、醋酸钴或醋酸镍。

10.如权利要求2所述的制备方法，其所述电沉积方法是至少采用下列方式中的一种实现碳纳米管阵列上沉积MnO₂颗粒，恒电流电沉积，其电流密度为0.1-5mA/cm²，或是恒电位电沉积，其电压为0.1-5V/cm²；其所述MnO₂是α-MnO₂、β-MnO₂和γ-MnO₂中的一种或是几种的混合。