[发明专利]一种海水溶解氧电池用三维柔性复合正极材料的高通量快捷制备方法

说明书

本发明提供一种海水溶解氧电池用三维柔性复合正极材料的高通量快捷制备方法，该方法先将碳纤维裁剪加工，制成三维螺旋碳纤维结构；随后对三维螺旋碳纤维结构进行高温热处理及超声处理；再采用高通量电化学刻蚀剥离方法对三维螺旋碳纤维结构进行改性处理，获得表面粗糙的分层结构；最后采用高通量扫描电沉积方法，在三维螺旋碳纤维结构表面沉积贵金属，得到均匀分布的三维柔性碳纤维‑贵金属纳米颗粒复合正极材料。本发明的海水溶解氧电池用三维柔性复合纳米材料，价格适中、比表面积大、氧还原催化活性高、稳定性好，可显著提高海水溶解氧电池的能量输出和长期稳定运行，为海水溶解氧电池、燃料电池、超级电容器等的研究和实际应用奠定基础。

技术领域

本发明涉及一种海水溶解氧电池用三维柔性复合正极材料的高通量快捷制备方法，属于纳米材料科学技术和能源应用领域，具体为三维柔性碳纤维-贵金属复合的氧还原催化剂纳米材料。

背景技术

海水溶解氧电池是以海水作电解液，负极为活泼金属材料（如镁合金、铝合金等），正极为溶解氧还原电极为的新型高比能金属-空气燃料电池。它具有价格适中，安全稳定，贮存寿命长，低温性能好，比能量、比功率高，不需要携带电解质等特点，能够在水下超长周期稳定放电，因此在水下滑翔机、水下警戒设备、声纳浮标、海上救生信号灯、海底地震观测器等海洋装备方面，具有非常广阔的应用前景和市场开发潜力。

在海水电池中，氧还原最好的催化剂是铂系贵金属，这些催化剂对氧还原显示出良好的催化活性，由于价格昂贵，影响了其商品化进程。采用碳担载铂，可显著提高铂的利用率，增强其氧还原催化活性，同时还可降低Pt的担载量，节约成本。合理优化铂活性位点的内在特性，以及最大化利用金属铂，是目前研发新型铂基催化剂的关键所在。而在催化剂中，载体起着至关重要的作用，碳材料被认为是理想的催化剂载体材料。

目前，海水溶解氧电池已实际应用的正极材料以碳材料为主，如碳棒、碳布、碳毡、碳纤维等。在深海环境下，溶解氧浓度较低，常规碳材料阴极活性差，氧富集能力和氧还原效率低下，虽然通过增加阴极材料可改进小功率海水电池的放电性能，但是在稍大功率输出时，所需的正极材料用量远远高于负极材料，导致电池体积庞大。如何改进正极结构，改善正极材料的氧富集能力，提高催化剂氧还原活性，是目前海水溶解氧电池亟待解决的核心问题之一。

相比于碳棒、碳板、碳布等，碳纤维具有更大的比表面积，以及高强度、高模量、耐腐蚀等特点，价格适中，且易于加工成不同形状和结构，近年来在微生物燃料电池、超级电容器、燃料电池等化学能源领域，得到广泛研究。以碳纤维做载体，可显著增加海水溶解氧电池正极的比表面积，提高铂的利用率，降低铂用量。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有海水溶解氧电池体积较大，放电效率低，不能长久放电等问题的不足，提供一种海水溶解氧电池用三维柔性复合正极材料的高通量快捷制备方法。该材料制备方法简单，可大批量生产，可提高铂的利用率，降低贵金属担载量，放电性能稳定，可超长周期运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种海水溶解氧电池用三维柔性复合正极材料的高通量快捷制备方法，其制备过程包括以下步骤：

该方法首先将碳纤维裁剪加工，制成三维螺旋碳纤维结构；

随后对三维螺旋碳纤维结构进行高温热处理及超声处理，高温热处理目的在于去除表面杂质，提高材料活性，超声处理目的在于确保碳纤维丝均匀分散；

再采用高通量电化学刻蚀剥离方法对三维螺旋碳纤维结构进行改性处理，获得表面粗糙的分层结构，保证碳纤维丝微观下的粗糙剥离状态；

最后采用高通量扫描电沉积方法，在三维螺旋碳纤维结构表面沉积贵金属，得到高活性、均匀分布的三维柔性碳纤维-贵金属纳米颗粒复合正极材料。

为了进一步实现本发明的目的，具体步骤包括如下：