CN107934955B - 一种活化处理商用碳纤维布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种活化处理商用碳纤维布的方法，步骤包括：以商用碳布为原料，将经过表面清洁的碳布置于马弗炉中，在400～500℃的空气气氛中活化处理一定时间后，即可得到活化的商用碳布。本发明首次利用大气环境直接对碳布进行活化处理，无需任何惰性气体保护和气氛及溶液处理，活化工艺过程环保、可控，操作极其简便，生产成本低廉，适用于大规模产业化生产。经活化处理后的柔性商用碳布材料可直接作为可穿戴式新型电池或柔性超级电容器的电极或集流体使用，同时有望作为催化剂或吸附剂的载体、氧化降解材料、脱硫或空气净化材料等，在电子器件、能源及环境领域获得应用。

Description

一种活化处理商用碳纤维布的方法

技术领域

本发明涉及商用碳布活化领域，具体涉及一种活化处理商用碳纤维布(简称‘商用碳布’)的工艺方法，尤其是能大规模在产业化生产中应用的活化商用碳布的方法。

背景技术

随着科技的发展，人们对可穿戴式电子器件的需求空前高涨，开发可给该类电子器件供能的柔性储能器件尤为重要。超级电容器作为一种新型的储能器件，兼具传统电容器和二次电池的优点，在各领域有着广泛且深远的应用前景。柔性超级电容器具备更高的能量密度，更快的充放电速度，更长的循环稳定性，受到诸多学者的关注，成为当今研究的热点之一。而制备满足实际需求，又简便可控价廉的超级电容器面临着巨大的挑战。超级电容器的三大电极材料为碳基材料、金属氧化物，以及导电聚合物。一方面，在这三大类材料中，金属氧化物和导电聚合物虽然具有很高的比电容、高功率密度，但普遍价格昂贵、循环性能和稳定性差，且易造成环境污染。而碳基材料因具有来源丰富、比表面积大、导电性良好、功率密度高和成本低廉等优点，是商业化的超级电容器主要的电极材料。另一方面，为了制备柔性的超级电容器，许多工作者将活性材料、电解质、粘结剂、导电剂、隔膜、集流体、封装体等结合起来组成一个器件，对于整个器件来说，活性材料在其中所占的比例很少。从而导致基于整个装置的电容很小，不能满足实际的需求。如发明专利CN104795251A公开了一种超级电容器的制备方法，该方法能够得到一种高比表面积的海藻硅酸盐基多孔碳粉末。由于该材料形态为粉末，无法直接用于柔性器件。而许多直接在基底上生长形成柔性器件的薄膜也由于使用的基底比表面积小活性物质质量少，导致整个器件的电容很小。因此，高性价比柔性电极材料的开发，并使之走出实验室、实现产业化生产是目前科研人员最需解决的关键性问题。

商用的碳纤维布是一种含碳量在95％以上通过传统方式制得的碳材料纺织物。商用的碳布不仅具有碳材料本征的属性，同时又具备了纺织品柔韧性、可加工性、高比强度、很好的抗蠕变性能、低密度、良好的热稳定性和化学稳定性、较低的热膨胀系数以及较高的电传导性等优异性能，在研究中被大量广泛作为柔性电极的基底材料或集流体。在诸多研究中，不同的无机材料已经能够成功在商用的碳纤维布上生长纳米结构，从而提高复合材料的电化学性能，显示出巨大的商业潜力。如专利ZL01010610593.5中公开了一种在碳布上生长碳纳米颗粒的方法，该方法可以在碳布上生产均匀的碳纳米颗粒，用于制备柔性场致电子发射冷阴极器件。又如专利CN102087921A公开的一种自支撑超级电容器电极材料及其制备方法，氧化锰直接在碳纳米纤维上生长，形成自支撑柔性电极复合材料。然而，由于商用的碳纤维布表面光滑、比表面积很小，而且其本身呈现出化学惰性，因此商用碳布的比电容(1～2F﹒g^-1,～10mF﹒cm^-2)远远低于其他的一些碳材料，例如：石墨烯(100～200F﹒g^-1)、单壁碳纳米管(100～200F﹒g^-1)等。正是由于这一系列的原因，产业化生产和实验室研究中很少将商用碳布直接作为电极材料使用，这显然极大限制了对商用碳布的应用。因此，非常有必要采用合适的方法对商用碳布进行活化，提高其粗糙度，使得被活化的商用碳布具有较大的比表面积，适当的官能团，从而使得商用碳布能够直接作为具有良好电化学性能的柔性电极材料使用。目前有较多的碳布活化处理方法，如专利CN104562631A采用电化学阳极氧化的表面处理方法进行活化碳布，CN05869923A采用溶液浸渍重结晶的方法实现活化开孔，提高碳纤维表面的活性和粗糙度。其他还有气相氧化、液相氧化、等离子体处理、气相沉积、电化学沉积等。但几乎所有的方法都需要进行试剂或气氛的配比调节和惰性气体保护，处理工艺较为繁琐，成本高、容易对纤维本体造成损伤，使得材料综合性能下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种处理方法极其简便，产业化适用性强，成本低廉，能耗低，性能优良，活化效果明显的活化处理商用碳纤维布的方法。

本发明的目的是活化商用碳布，大幅度提高其本身的比电容，具体包括如下步骤：

(1)清洗商用碳布，得到表面清洁的碳布；

(2)将步骤(1)得到的清洁商用碳布置于马弗炉中，在环境空气氛围下进行活化处理，处理温度为400～500℃，时长1～3h；

(3)反应结束后，即可得到活化的商用碳布。

上述技术方案中，所述的碳布为亲水或疏水的商用碳布。

优选的，所述的处理温度为450℃，反应时间为2h。

经上述活化处理后，活化碳布单位面积质量约为12mg﹒cm^-2，面积比电容可达到1350.2mF﹒cm^-2，质量比电容可达到112.5F﹒g^-1。

与现有技术相比，本发明的主要优点如下：

本发明中的活化处理方法工艺简单、耗时短、成本低，可以大批量在工业生产中实现。通过本方法获得的活化商用碳布比电容高、柔韧性好，高温处理过程能够提高碳布纤维的表面粗糙度，使得被活化的碳布具有比较大的比表面积，从而提高材料的电化学性能。本发明制备方法简便，反应体系为开放体系，条件温和、绿色环保，可控性、适用性、可移植性强，成本低廉，能耗低，适用于产业化生产，制备的活化商用碳布材料有望在柔性储能器件电极、催化剂或吸附剂的载体、脱硫或空气净化材料等电子、能源与环境领域获得广泛应用。

附图说明

图1为实施例1未经活化处理的商用碳纤维布材料表面的场发射扫描电子显微镜照片。

图2为实施例1制备的活化商用碳纤维布材料表面的场发射扫描电子显微镜照片。

图3为实施例1未经活化处理的商用碳布和实施例1～5经活化处理后商用碳布在100mV﹒s^-1扫描速率下的循环伏安曲线图。

图4为实施例1～5经活化处理后商用碳布在不同放电电流密度下的比电容值。

图5为实施例1～5经活化处理后商用碳布在不同电压扫描速率下的比电容值。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明，但本发明不仅仅局限于下述实施例。

实施例1

(1)选取尺寸2.5×2.5cm²、厚度为0.35mm的商用碳布为原料，碳布表面经无水乙醇清洗后，用去离子水超声振洗，烘干。

(2)将步骤(1)得到的清洁碳布置于马弗炉中，在环境空气氛围和400℃温度下进行1小时的活化处理；

(3)反应结束后，即得到活化的碳布。

所得产品前后的场发射扫描电子显微镜照片分别如图1、2所示，表面形貌观察结果表明，未经活化处理的商用碳布纤维表面光滑，经过活化处理以后，碳布纤维表面具有扁平气泡状粗糙结构。对所制备的活化商用碳布进行电化学测试，结果如图4、5所示。对该产品进行在不同放电电流密度下的充放电测试，1mA﹒cm^-2放电电流密度下，比电容为27.7mF﹒cm^-2，50mA﹒cm^-2放电电流密度下，面积比电容仍有8mF﹒cm^-2；在不同的扫描速率循环伏安测试中，2mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容为62.61mF﹒cm^-2，100mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容仍有26.51mF﹒cm^-2。

实施例2

(1)选取尺寸2.5×2.5cm²、厚度为0.35mm的商用碳布为原料，碳布表面经无水乙醇清洗后，用去离子水超声振洗，烘干。

(2)将步骤(1)得到的清洁碳布置于马弗炉中，在环境空气氛围和450℃温度下进行1小时的活化处理；

(3)反应结束后，即得到活化的碳布。

对所制备的活化商用碳布进行电化学测试，结果如图4、5所示。对该产品进行在不同放电电流密度下的充放电测试，1mA﹒cm^-2放电电流密度下，比电容为642.2mF﹒cm^-2，50mA﹒cm^-2放电电流密度下，面积比电容仍有538mF﹒cm^-2；在不同的扫描速率循环伏安测试中，2mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容为643.54mF﹒cm^-2，100mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容仍有506.56mF﹒cm^-2。

实施例3

(1)选取尺寸2.5×2.5cm²、厚度为0.35mm的商用碳布为原料，碳布表面经无水乙醇清洗后，用去离子水超声振洗，烘干。

(2)将步骤(1)得到的清洁碳布置于马弗炉中，在环境空气氛围和450℃温度下进行2小时的活化处理；

(3)反应结束后，即得到活化的碳布。

对所制备的活化商用碳布进行电化学测试，结果如图4、5所示。对该产品进行在不同放电电流密度下的充放电测试，1mA﹒cm^-2放电电流密度下，比电容为1100.6mF﹒cm^-2，50mA﹒cm^-2放电电流密度下，面积比电容仍有780mF﹒cm^-2；在不同的扫描速率循环伏安测试中，2mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容为1136.72mF﹒cm^-2，100mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容仍有664.32mF·cm^-2。

实施例4

(1)选取尺寸2.5×2.5cm²、厚度为0.35mm的商用碳布为原料，碳布表面经无水乙醇清洗后，用去离子水超声振洗，烘干。

(2)将步骤(1)得到的清洁碳布置于马弗炉中，在环境空气氛围和450℃温度下进行3小时的活化处理；

(3)反应结束后，即得到活化的碳布。

对所制备的活化商用碳布进行电化学测试，结果如图4、5所示。对该产品进行在不同放电电流密度下的充放电测试，1mA﹒cm^-2放电电流密度下，比电容为1350.2mF﹒cm^-2，50mA﹒cm^-2放电电流密度下，面积比电容仍有672mF﹒cm^-2；在不同的扫描速率循环伏安测试中，2mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容为1342.78mF﹒cm^-2，100mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容仍有442.29mF·cm^-2。

实施例5

(1)选取尺寸2.5×2.5cm²、厚度为0.35mm的商用碳布为原料，碳布表面经无水乙醇清洗后，用去离子水超声振洗，烘干。

(2)将步骤(1)得到的清洁碳布置于马弗炉中，在环境空气氛围和500℃温度下进行1小时的活化处理；

(3)反应结束后，即得到活化的碳布。

对所制备的活化商用碳布进行电化学测试，结果如图4、5所示。对该产品进行在不同放电电流密度下的充放电测试，1mA﹒cm^-2放电电流密度下，比电容为1205.2mF﹒cm^-2，50mA﹒cm^-2放电电流密度下，面积比电容仍有482mF﹒cm^-2；在不同的扫描速率循环伏安测试中，2mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容为1233.95mF﹒cm^-2，100mV﹒s^-1的扫描速率下，面积比电容仍有426.65mF·cm^-2。

Claims (1)

1.一种活化处理商用碳纤维布的方法，其特征在于，所述的商用碳纤维布为亲水或疏水的商用碳布，所述方法包括如下步骤：

（1）清洗商用碳纤维布，得到表面清洁的商用碳布；

（2）将步骤（1）得到的清洁商用碳布置于马弗炉中，在环境空气氛围下，进行活化处理，处理温度为450℃，时长3 h；

（3）反应结束后，即得到活化的商用碳布；

经上述方法处理后的商用碳纤维布可直接作为柔性电极材料使用。

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