[发明专利]一种改性活化碳材料的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种改性活化碳材料的方法及其应用，所述方法包括如下步骤：1)将碱性物质溶于去离子水中，得到碱溶液；2)将氧化性物质于常温下溶解在碱溶液中，得到碱性化学氧化刻蚀液；3)将碳材料于20～80℃下浸泡到碱性化学氧化刻蚀液中1～24h，进行改性活化处理；4)用去离子水冲洗改性活化处理后的碳材料，烘干后得到改性活化碳材料。采用本发明方法改性活化的碳材料，具有较高的比表面积和良好的亲水性能，且表现出良好的电化学性能，可应用于碱金属二次电池、超级电容器、液流电池等储能器件的电极材料；此外，本发明方法操作简单、反应条件温和、能耗低。

技术领域

本发明属于碳材料领域，具体地，本发明涉及一种改性活化碳材料的方法及其应用。

背景技术

碳材料由于良好的电子导电性和热/机械稳定性，被广泛用作储能器件的电极材料。然而，较低的比表面积和较差的亲水性能，限制了其在水系储能器件中的发展与应用。例如，在钒液流电池领域应用中，碳电极材料对电解液的润湿性能的好坏，直接关系着电极材料表面钒离子氧化还原反应的发生，进而影响其储能性能。因此，对碳材料进行表面改性和活化是十分必要的。目前，对碳基电极材料进行活化和改性，主要通过以下几种方法：1)高温热处理法：主要是将碳材料在高温条件下进行活化处理，增加碳材料表面含氧官能团的数量，如中国专利CN109987604A在600～800℃对碳材料进行1～4h的活化处理；2)强氧化性酸处理：在水热/溶剂热等高温条件下，利用强氧化性酸液引入含氧基团，提升碳材料亲水性能，如中国专利CN104018340A利用硝酸溶液对碳纤维进行表面改性；3)离子溅射法(plasm)：在真空条件下，利用等离子束轰击碳材料表面，进而引入缺陷；4)电化学活化法。然而现有方法，其存在反应条件苛刻、设备要求严格、改性和活化效率较低等问题。因此，急需开发一种反应条件温和、简单方便、可操作性强的碳材料表面改性和活化的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种改性活化碳材料的方法及其应用，利用碱性化学氧化刻蚀液对碳材料进行改性活化处理，改性活化处理后的碳材料具有较高的比表面积和良好的亲水性能，且表现出良好的电化学性能；此外，本发明方法操作简单、反应条件温和、能耗低。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种改性活化碳材料的方法，包括如下步骤：

1)将碱性物质溶于去离子水中，得到碱溶液；

2)将氧化性物质于常温下溶解在碱溶液中，配制得到碱性化学氧化刻蚀液；

3)将碳材料于20～80℃浸泡到碱性化学氧化刻蚀液中1～24h，进行改性活化处理；

4)用去离子水冲洗改性活化处理后的碳材料，烘干后得到改性活化碳材料。

在一些实施例中，碱性物质为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或两种以上的组合。

在一些实施例中，碱溶液的浓度为10～100g/L。

在一些实施例中，氧化性物质为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、溴酸钾、氯酸钾、高氯酸钾、高锰酸钾、双氧水中的一种或两种以上的组合。

在一些实施例中，氧化性物质的浓度为10～50g/L。

在一些实施例中，碱性化学氧化刻蚀液中碱性物质与氧化性物质的质量浓度之比为1:1～5:1，优选为3:1～4:1。

在一些实施例中，碳材料为石墨毡、碳纤维纸、碳布、碳管、石墨烯、碳黑中的一种或其复合物。

在一些实施例中，步骤3)中浸泡的温度为60℃，浸泡的时间为6h。