一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法

本发明属于液流电池，具体涉及一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法。

背景技术：

1、风能、太阳能等可再生清洁能源被越来越广泛的应用，在国家能源结构中占比越来越大。但是风能、太阳能等清洁能源具有间歇性、波动性的特点，直接将可再生能源产生的电能并入电网中将会导致电网变得不稳定。因此，可再生能源必须经过存储后再释放才能并入电网中供人们使用。如此一来，安全可靠的充放电储能体系就显得尤为重要。

2、液流电池具有安全性高、对环境友好、较强的过载能力、可深度充放电且储能容量和输出功率相互独立，灵活性高等诸多优点，适合用作充放电储能体系。

3、液流电池经过几十年的发展，已经取得了长足的进步。现在主流的液流电池电极材料是碳素类电极，其中聚丙烯腈基碳毡因为其比表面积大、导电性较好，良好的耐氧化和耐酸性，得到了广泛的应用。但聚丙烯腈基碳毡也存在润湿性差、活性位点少的缺点。因此，探寻一种有效的聚丙烯腈基碳毡的改性方法，进而提高液流电池性能就显得尤为重要。

技术实现思路

1、针对现有技术中聚丙烯腈基碳毡润湿性差、活性位点少的问题，本发明提供一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法。

2、本发明的技术方案是：

3、一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，包括以下步骤：

4、(1)向质量浓度为68wt.％的浓硝酸中加入去离子水，通过机械搅拌使溶液混合均匀；

5、(2)将步骤(1)所得的硝酸水溶液倒入水热反应釜中并加入聚丙烯腈基碳毡，置于烘箱中保温；

6、(3)将步骤(2)所得的碳毡用去离子水冲洗，并烘干；

7、(4)向去离子水中加入尿素、聚乙二醇、含硼易溶化合物，通过机械搅拌使溶液混合均匀；

8、(5)将步骤(3)所得的碳毡放入步骤(4)所得的溶液中，并放入烘箱中保温；

9、(6)将步骤(5)所得的碳毡烘干后，置于管式炉中，在惰性气氛下碳化处理，得到原位生长硼碳氮纳米管聚丙烯腈基碳毡。

10、进一步的，上述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，步骤(1)中，浓硝酸与去离子水的体积比为10：3。

11、进一步的，上述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，步骤(2)和步骤(5)中，保温温度为80～200℃，保温时间为800～2000min。

12、进一步的，上述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，步骤(3)中，冲洗碳毡直至碳毡ph为7，烘干温度为80～100℃。

13、进一步的，上述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，步骤(4)中，含硼易溶化合物包括但不限于硼酸、硼酸铵或焦硼酸。

14、进一步的，上述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，步骤(4)中，尿素的浓度为0.01～1.00g/ml，聚乙二醇的浓度为30～90mg/ml，硼元素的浓度为0.2～2mg/ml。

15、进一步的，上述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，步骤(6)中，碳化温度为800～2000℃，碳化时间为5～20h，升温速率为2～10℃/min，惰性气氛为氩气，气体流量为20～100ml/min。

16、进一步的，上述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，经原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法改性的碳毡适用的液流电池包括全钒、铁铬、全铁、钛锰、多硫化钠/溴或有机体系液流电池。

17、本发明的设计思想是：

18、通过在聚丙烯腈基碳毡上进行原位生长硼碳氮纳米管，改变碳毡纤维表面的微观结构，一方面增加碳毡比表面积，增大电极参与反应的面积，另一方面碳毡表面的硼碳氮纳米管可以为液流电池充放电过程的电化学反应提供更多的活性位点，促进电化学反应的进行。本发明通过调控聚乙二醇、含硼易溶化合物、尿素的浓度，进而调控碳毡表面的硼碳氮纳米管的微观结构，为液流电池用聚丙烯腈基碳毡改性提供新思路。

19、本发明的优点及有益效果：

20、1、本发明通过调控聚乙二醇、尿素、含硼易溶化合物的浓度配比，在聚丙烯腈基碳毡上原位生长了具有不同微观结构的硼碳氮纳米管，研究了不同浓度对硼碳氮纳米管微观结构的影响。

21、2、本发明制备的硼碳氮纳米管改性的聚丙烯腈基碳毡，将其装配到液流电池中，研究了不同微观结构的硼碳氮纳米管对液流电池电化学性能的影响，发现经过原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡相对于未改性的碳毡而言，比表面积明显增大，能有效提高液流电池电化学性能。

22、3、本发明制备的硼碳氮纳米管改性聚丙烯腈基碳毡实验材料价格低廉，实验操作流程简单，实验条件易于满足。

技术特征：

1.一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.按照权利要求1所述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，其特征在于，步骤(1)中，浓硝酸与去离子水的体积比为10：3。

3.按照权利要求1所述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(5)中，保温温度为80～200℃，保温时间为800～2000min。

4.按照权利要求1所述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，其特征在于，步骤(3)中，冲洗碳毡直至碳毡ph为7，烘干温度为80～100℃。

5.按照权利要求1所述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，其特征在于，步骤(4)中，含硼易溶化合物包括但不限于硼酸、硼酸铵或焦硼酸。

6.按照权利要求1所述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，其特征在于，步骤(4)中，尿素的浓度为0.01～1.00g/ml，聚乙二醇的浓度为30～90mg/ml，硼元素的浓度为0.2～2mg/ml。

7.按照权利要求1所述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，其特征在于，步骤(6)中，碳化温度为800～2000℃，碳化时间为5～20h，升温速率为2～10℃/min，惰性气氛为氩气，气体流量为20～100ml/min。

8.按照权利要求1所述的一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法，其特征在于，经原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法改性的碳毡适用的液流电池包括全钒、铁铬、全铁、钛锰、多硫化钠/溴或有机体系液流电池。

技术总结本发明属于液流电池技术领域，具体涉及一种原位生长硼碳氮纳米管的聚丙烯腈基碳毡改性方法。该方法选用聚丙烯腈基碳毡，首先用浓硝酸与去离子水对碳毡进行水热处理并干燥。之后配置尿素、含硼易溶化合物、聚乙二醇水溶液，再将干燥好的碳毡放入该溶液中，在烘箱内进行硼碳氮纳米管原位生长并烘干，最后置于管式炉中在惰性气氛下碳化从而得到原位生长硼碳氮纳米管聚丙烯腈基碳毡。本发明制备的原位生长硼碳氮纳米管聚丙烯腈基碳毡相较于未改性的碳毡，具有比表面积大，电化学性能好的优点，适合作为液流电池电极，为液流电池电极发展提供了新思路。技术研发人员：刘建国,刘兰松,张希昊受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/27