[发明专利]一种葡萄糖水热碳和氮共掺杂石墨毡电极及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电极材料及其制备和应用领域，特别涉及一种葡萄糖水热碳和氮共掺杂石墨毡电极及其制备和应用。本发明以葡萄糖、尿素和碳毡为原料，经过水热和高温煅烧合成葡萄糖水热碳和氮共掺杂的石墨毡复合材料。本发明克服现有技术制备的电极材料循环性能不稳定的技术缺陷，该方法制备的复合电极亲水性好、有效的降低了电子转移电阻，从而提高了VRFB的能量效率和能量输出。

技术领域

本发明属于电极材料及其制备和应用领域，特别涉及一种葡萄糖水热碳和氮共掺杂石墨毡电极及其制备和应用。

背景技术

随着人们对地球上化石燃料的大量开采和利用致使地球的环境招到严重破坏，加之地球上化石资源的储量有限，能源短缺和环境污染加速了人们对寻求可再生能源的探索，例如人们在太阳能和风能等领域已经取得了很大的进展，但是太阳能和风能的间歇性阻碍了其的进一步发展，1980年中期M. Skyllas-Kazacos等人首次提出了全钒氧化还原液流电池（All-vanadium redox flow battery）[M. Skyllas-Kazacos and R. G.Robins,US Pat.,4786567,1986.]。全钒氧化液流电池具有效率高、充放电能力强、循环寿命长、储能成本低等优点，19世纪80年代末M. Rychcik等人首次对全钒氧化液流电池的电极进行了研究[M. Rychcik and M. Skyllas-Kazacos, J. Power sources, 1987,19,45-54]，但是目前商业的石墨毡仍然存在亲水性差、循环稳定性差、电化学活性低等缺点。

为了进一步提高电极稳定性及其电化学活性，目前的研究在电极材料的制备进行了广泛的研究。Yu Gao等采用静置法制备了碳薄片负载的石墨毡电极在100 mA/cm^-2的电流密度下获得了81%的能量效率[Yu Gao , Hongrui Wang , Qiang Ma , Anjun Wu , WeiZhang , Chuanxiang Zhang , Zehua Chen , Xian-Xiang Zeng , Xiongwei Wu ,Yuping Wu, carbon.,2019,148,9-15]，高于同等条件下商业石墨毡的能量效率。JiyeonKim等采用热聚合法制备了N/O共掺杂的石墨毡在很大程度上提高了石墨毡的电化学活性[Jiyeon Kim , Hyebin Lim , Jy-Young Jyoung , Eun-Sook Lee , Jung S. Yi ,Doohwan Lee , carbon.,2017,111,529-601]。

因此，碳材料和氮原子具有多样化的机制参与VRFB的电极反应，采用碳材料和氮共负载的石墨毡材料可以有效提升VRFB的能量效率和电化学活性。

发明内容

本发明目的是提供一种葡萄糖水热碳和氮共掺杂石墨毡电极及其制备和应用，克服现有技术制备的电极材料循环性能不稳定的技术缺陷，该方法制备的复合电极亲水性好、有效的降低了电子转移电阻，从而提高了VRFB的能量效率和能量输出。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种葡萄糖水热碳和氮共掺杂石墨毡电极，所述石墨毡是一种形态为碳纤维状的碳材料，葡萄糖水热碳和氮通过热聚合法负载在石墨毡表面；碳纤维状石墨毡是用碳纤维制备的基底。

一种葡萄糖水热碳和氮共掺杂的石墨毡电极的制备方法，具体步骤包括：

（1） 将购买的商业石墨毡裁剪为3 cm × 3 cm大小。

（2）将一定量的葡萄糖和尿素配置得到混合溶液。

（3）将石墨毡加入上述混合液中，水热处理，得到葡萄糖水热碳和氮共负载的石墨毡，取出后用去离子水抽滤洗涤,真空干燥后再进行热稳定，即得葡萄糖水热碳和氮共负载的石墨毡电极。

进一步地，所述步骤（1）中石墨毡的质量为0.45g。