[发明专利]一种用β-PbO2粒子修饰碳纤维的方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维的修饰方法，特别涉及一种β-PbO₂粒子修饰碳纤维电极材料的方法及其在全钒液流电池中的应用。

背景技术

随着化石燃料的过度消耗和环境污染的日益加剧，各国政府正不断加大新能源领域的投资研发力度，力争在化石能源耗竭之前找到行之有效的替代者，以实现对国际社会节能减排的承诺，并试图握紧新能源技术所带来的巨大商机。可再生能源正在由辅助能源变为主导能源，在未来必将掀起一场规模宏大的新能源革命。然而，由于风能、太阳能等可再生能源载体具有不连续、不稳定的特点，使得可再生能源发电难以直接并网，为其大规模应用带来巨大障碍。一个有效的解决方案是引入大规模储能技术，将这些“不连续”、“不稳定”的电能首先存储起来，然后以平滑、稳定的方式进行并网输出。在诸多储能技术中，全钒液流储能电池(Vanadium Flow battery，VFB)因具有设计灵活、循环寿命长(充放电循环达13000次以上，使用寿命超过20年)、可在常温条件下运行、电解液容易再生、安全可靠及环境友好等一系列优点，被认为是应对能源结构变革的一项非常有前景的储能技术。

VFB的许多竞争特性使其在过去二十多年的时间里得到持续发展和不断进步，就目前来看，技术和成本问题仍是其大规模商业化的障碍，其中成本因素尤为突出。提高功率密度，减小模块尺寸是降低成本的重要途径。高功率密度对应着高的工作电流密度，而增大电流密度就会使电池产生更为严重的极化，降低能量转换效率。该极化的一个重要组成部分来自于电极/电解液界面的电极反应。若要在保持较高能量转换效率下提高工作电流密度，就必须提高电极材料的性能以减小这部分极化。全钒液流体系要求电极材料具有以下特性：1.高催化活性，对两侧氧化还原电对具有良好的活性和可逆性，降低电池的电化学极化；2.高比表面积，为反应提供更多的活性位；3.良好的电子导电性，有利于降低电池的欧姆内阻；4.良好的机械性能及抗腐蚀性；5.成本低廉。

VFB目前常用的电极材料是聚丙腈基碳毡和碳纤维纸等碳纤维材料，其优点是耐酸腐蚀、成本低廉且操作电势窗口较宽；但其电学化活性和动力学可逆性较差，表现为较低的交换电流密度和较小的电极反应速率常数。改善碳纤维电化学性能，特别是对于正极氧化还原电对VO²⁺/VO₂⁺的催化活性，降低电极反应极化过电位，减小电荷转移阻抗是提高VFB能量转化效率和功率密度的重要研究方向。一个有效的方法是对其进行化学或电化学处理，在纤维表面修饰官能团或引入高活性电催化剂，提高碳纤维对VFB电解液的亲合性，并提供大量活性位减小电极反应的活化能，以加快电极反应速率。目前，这部分工作主要集中在采用Pt，Ir等贵金属为催化剂对碳纤维进行修饰。尽管修饰后的碳纤维明显提高了对于正极氧化还原电对VO²⁺/VO₂⁺的催化活性，但高成本却限制了其大规模应用。因为开发催化活性高、性能稳定而且成本低廉的正极材料，是提高VFB性能、降低运营成本，进而推动商业化应用的关键。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用β-PbO₂粒子修饰碳纤维的方法及其应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用β-PbO₂粒子修饰碳纤维的方法，包括如下步骤：

S1、碳纤维织物预处理：将碳纤维织物裁剪成合适大小，在80℃的1.0M NaOH溶液中浸泡约30min，以除去碎纤维与碳纤维表面油渍等杂质，然后用去离子水洗涤，于烘箱中干燥备用；

S2、将步骤S1所得的碳纤维织物塑封在聚酯塑料框内作为PbO₂沉积的工作电极(阳极)，取大面积石墨板为对电极(阴极)，参比电极选用饱和甘汞电极，在0.1～1.0M前驱体盐(Pb²⁺)和1M HNO₃电解液中，采用单程线性电压扫描对β-PbO₂进行沉积操作(Linear sweep voltammetry，LSV)。

S3、多次重复上述扫描过程以增大修饰量。

其中，所述的步骤S2中的前驱体盐为：Pb(NO₃)₂、PbSO₄、Pb(Ac)₂中的一种或两种以上。