[发明专利]适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极及制备方法

说明书

本发明公开了适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极及制备方法，制备方法包括：将经预处理的碳基材料转移至真空制备室中，待制备室内压强稳定后，调节H₂的气体流量至90sccm~120sccm，在100min~120min内，升温至800℃~950℃；升温结束后，以10sccm~60sccm的流量通入烯烃类气体，开启等离子体射频电源，以4min~8min为间歇时间，进行3次~15次等离子体沉积石墨烯纳米片，获得适用于多种液流电池体系的石墨烯电极材料。本发明获得的低成本高性能石墨烯改性电极，具有良好的电导率、比表面积、电化学活性、催化性能和稳定性，可应用于多种液流电池体系。

技术领域

本发明属于液流电池电极材料技术领域，具体涉及适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极及制备方法。

背景技术

氧化还原液流电池包括全钒液流电池、铁铬液流电池、硫基液流电池、锌基液流电池和氧化还原有机分子组成的新型液流电池体系等，被广泛地应用于风能、太阳能发电过程的大规模储能设备。随着对各种液流电池的广泛研究，对电极材料的稳定性和导电性的要求与日俱增，但是，现阶段尚无商业化液流电池用电极材料。

目前通常采用对碳基材料进行改性处理的手段制备液流电池用电极材料，例如采用金属和/或金属氧化物修饰、杂原子掺杂等手段。目前的改性电极材料只能改善对单一的氧化还原电对的催化效果，难以适应于多种液流电池体系，导致液流电池在实际应用中存在电极材料成本高、工艺复杂、难以大规模批量生产的问题，严重限制了液流电池体系的商业化应用。

研究发现，石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，其具有优良的导电性，是电极改性材料的研究热点。现阶段的石墨烯改性电极工艺主要包括溶液涂覆、机械掺杂以及化学气相沉积等方法。但是经溶液涂覆、机械掺杂改性的石墨烯改性电极上存在难以控制石墨烯沉积量的问题，很难适应多种液流电池系统。传统的化学气相沉积法使用烯烃类气体在高温下裂解制备石墨烯，但是这种方法主要适用于铜、镍等金属基底，当使用碳基材料作为衬底时缺乏催化活性，生长出来的石墨烯质量差，而且会产生大量的副产物，并诱导产生无定形的碳污染物，导致其与水系电解液之间的界面能较高，这使得电解液很难浸入石墨烯片之间的沟道，在混合式三维结构中密集生长石墨烯片的侧壁及根部不能被充分润湿，这极大地限制了溶剂离子与电极材料的实际接触面积，使石墨烯的优势不能充分发挥，难以适应不同的液流电池体系。

综合上述，液流电池电极材料性能的优劣是影响液流电池大规模发展的核心技术之一，亟待研发高电导率和高催化活性的适应于多种液流电池体系的改性电极材料。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极及制备方法，获得的低成本高性能石墨烯改性电极，具有良好的电导率、比表面积、电化学活性、催化性能和稳定性，以及提高多种氧化还原电对的可逆性等优点，可应用于多种液流电池体系，解决了现有技术中存在的碳基电极电导率差、化学活性低，以及石墨烯在碳基材料衬底中生长质量差的问题。

本发明所采用的技术方案是，适用于多种液流电池体系的石墨烯改性电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将经预处理的碳基材料转移至真空制备室中，开启真空泵，抽真空使制备室内的真空度低于5Pa，待制备室内压强稳定后，以450sccm~500sccm的流量通入H₂，清洗2~3min，然后调节H₂的气体流量至90sccm~120sccm，使真空制备室压强达到30Pa~32Pa；

步骤2：开启真空制备室加热电源，在100min~120min内，升温至800℃~950℃；

步骤3：升温结束后，以10sccm~60sccm的流量通入烯烃类气体，真空制备室压强达到40Pa~42Pa后开启等离子体射频电源，以4min~8min为间歇时间，进行3次~15次等离子体沉积石墨烯纳米片；