钒氧化还原电池碳纸电极改性研究

【摘要】：由于碳纸材料亲水性差,电化学活性较低,在用作钒电池电极前需对其进行改性。论文对碳纸电极分别进行了水热氧化及水热氨化法处理,探讨了亲水性的改善与V(Ⅳ)/(V)电对在电极上反应活性的关系,主要内容如下： 研究了钒电池用碳纸电极的水热酸氧化法,将处理用硫酸的浓度降至了3mol/L,并与传统的酸氧化法及热处理法作了比较,经水热酸氧化后的碳纸电极电化学活性更好。对水热氧化的处理条件进行了系统的筛选,最佳处理温度为180℃,硫酸与双氧水混合使用比单独使用处理效果要好,其最佳体积极比为2：1,对高压反应釜的最佳填充度为30%。使用处理后碳纸电极组装成的电池,在20mA/cm2时,电池电流效率为96.6%,电压效率为86.4%,能量效率达到了83.5%。 在180℃下对碳纸电极进行了不同时间的水热酸氧化处理,并采用傅立叶红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、接触角测试对碳纸电极进行了结构表征。傅里叶红外测试表明羰基和羧基等含氧基团被成功的引入到了碳纤维上,而水的接触角测试表明,经过12h处理的样品接触角最小,为100.8°。相应的循环伏安,交流阻抗以及充放电测试结果均表明此样品的电化学性能最好,说明亲水性的提高改善了电极的电化学活性。用此样品组装的单电池性能优异,在30mA/cm2的电流密度下能量效率达到了80%,相应的电流效率和电压效率分别为96%和84%。 在不同温度下对碳纸电极进行了水热氨化处理,处理后碳纸电极的亲水性和电化学活性明显得到改善,最佳处理温度为220℃。用处理后碳纸组装成的电池,在10mA/cm2时,能量效率可达87.4%。说明纤维表面含氮官能团的引入,在改善电极表面性能的同时提高了电极的电催化活性,从而提高了电池的性能。