阅读说明：本技术 一种电镀银碳纤维电极及其制备方法 (Electrosilvering carbon fiber electrode and preparation method thereof ) 是由 徐建梅 胡智慧 黄灿 何天成 李文昊 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种电镀银碳纤维电极的制备方法,步骤如下：称取碳纤维束在丙酮溶液中浸泡,然后超声处理,再将碳纤维束浸泡在乙醇溶液中超声处理；将碳纤维束置于马弗炉中进行热氧化处理,然后用去离子水进行超声清洗,之后置于烘箱烘干；将氧化处理后的碳纤维束剪裁至一定长度,在剪裁后的碳纤维束的一端绑上银丝固定；将AgNO<Sub>3</Sub>和NaNO<Sub>3</Sub>溶液混合配制成电镀液,将一对碳纤维束置于电镀液中,由恒压电源提供电压,对碳纤维束进行电镀,得到镀银碳纤维,将镀银碳纤维封装在热缩管内,即得到电镀银碳纤维电极。本发明的制备方法简单,利用本发明制得的电镀银碳纤维电极极差小,性能稳定,易于长期保存,可用于海洋电场信号的探测。(The invention provides a preparation method of an electrosilvering carbon fiber electrode, which comprises the following steps: weighing carbon fiber bundles, soaking in an acetone solution, then carrying out ultrasonic treatment, and soaking the carbon fiber bundles in an ethanol solution for ultrasonic treatment; placing the carbon fiber bundle in a muffle furnace for thermal oxidation treatment, then performing ultrasonic cleaning by using deionized water, and then placing in a drying oven for drying; cutting the carbon fiber bundle subjected to oxidation treatment to a certain length, and binding a silver wire at one end of the cut carbon fiber bundle for fixation; mixing AgNO 3 And NaNO 3 Mixing the solution to prepare electroplating solution, and placing a pair of carbon fiber bundles in the electroplating solutionAnd (3) providing voltage by a constant voltage power supply, electroplating the carbon fiber bundle to obtain silver-plated carbon fiber, and packaging the silver-plated carbon fiber in a heat shrinkage tube to obtain the silver-plated carbon fiber electrode. The preparation method is simple, and the electro-silvered carbon fiber electrode prepared by the method has small range, stable performance and easy long-term storage, and can be used for detecting ocean electric field signals.)

一种电镀银碳纤维电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种电镀银碳纤维电极及其制备方法。

背景技术

碳纤维具有比表面积大和在海洋环境中化学稳定性好的优点，适合作为海洋电场传感器。20世纪70年代，美国海军研究生院对不同电极材料作为探测海洋电场传感器进行了研究，报告指出Ag/AgCl电极、Pt/Pt黑电极和碳纤维电极的阻抗较低，这些材料适合用作海洋电极，其中碳纤维电极成本最低，适合大范围使用。2003年，在欧洲水下防御技术(UDT)会议上，瑞典Polyamp公司展示了自主开发的检测水下电场的碳纤维传感器并对潜艇模型发射的电场信号进行了现场检测，发现碳纤维电场传感器性能优异。这是由于碳纤维电极的多孔表面可以增加有效工作面积，从而降低电极的接收阻抗。然而，未处理的碳纤维由于其原子和官能团活性低而导致表面活性较低，使得电极电位漂移大，影响了电极的稳定性。

目前有关碳纤维电极制备方法有以下几种：(1)液相氧化法：利用强酸或者强碱等腐蚀性溶液刻蚀碳纤维表面，提高其比表面积。但液相氧化的方法时间较长，与碳纤维批量生产化相匹配有困难。同时，易对人体和环境造成危害。(2)等离子体氧化法：使用等离子体对碳纤维进行辐射，可以增加碳纤维表面各种类型的活性基团，从而提高表面活性。但产生等离子体需要一定的真空环境，所需设备较为复杂，对需要连续稳定以及长时间处理碳纤维时有较大困难。(3)电化学法：电化学法是目前研究最多、工艺最成熟的表面处理技术，其操作条件简单可控，易于实现连续化处理。可大幅度提高碳纤维物理化学性能和导电性，同时保持碳纤维比表面积大的特性。

发明内容

有鉴于此，本发明结合热氧化技术和电化学沉积工艺，提供了一种电镀银碳纤维电极的制备方法，首先采用热氧化技术对碳纤维进行预处理，然后结合电化学沉积工艺，制备出比表面积大以及电位稳定性优良的电镀银碳纤维电极；本发明还提供一种电镀银碳纤维电极，所述电镀银碳纤维电极由碳纤维经过由硝酸银和硝酸钠配置的电镀液进行电镀工艺制得。

本发明提供一种电镀银碳纤维电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，称取碳纤维束在丙酮溶液中浸泡24h以去除表面上浆剂等杂质，然后将浸泡在丙酮溶液中的碳纤维束超声30min，用去离子水清洗至中性；再用乙醇溶液浸泡碳纤维束并超声30min，用去离子水清洗至中性，置于60℃烘箱保温2h；

步骤S2，将烘干后的碳纤维束置于马弗炉中在380～450℃进行热氧化处理，升温速率为3℃/min，热氧化处理结束后随炉降温至室温后，用去离子水超声30min清洗至中性，然后置于60℃烘箱保温2h；将热氧化处理后的碳纤维束剪裁至一定长度，在剪裁后的碳纤维束的一端绑上银丝固定；

步骤S3，按照化学配比将AgNO₃和NaNO₃溶液混合配制成电镀液，将一对经步骤S2预处理后的碳纤维束分别连接恒压电源的阳极和阴极，然后放置于电镀液中进行电镀，电镀过程中，电镀液中的Ag⁺汇聚在阴极，Ag⁺得到电子后变为单质银附着在碳纤维束上，即得到镀银碳纤维；电镀结束后将绑有银丝的镀银碳纤维置于60℃烘箱保温2h；

步骤S4，将步骤S3中绑有银丝的镀银碳纤维涂上导电胶，套上热缩管进行封装，加热使热缩管收缩，即得到电镀银碳纤维电极。

进一步地，步骤S3中，恒压电源的输出电压为2～4V，电镀时间为10～20min。

本发明还提供了利用上述制备方法制备得到的电镀银碳纤维电极，所述电镀银碳纤维电极的电位差(亦称典型极差)小于100μV，极差漂移小于100μV/24h；将两根电镀银碳纤维电极进行组合即可以用于海洋环境探测电场信号。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本发明采用热氧化预处理法对碳纤维束进行处理，以去除碳纤维束表面的高分子杂质，去除杂质后的碳纤维束比表面积大，表面活性官能团多，因此易于电镀时沉积附着银粒子；(2)本发明提供的方法成本低、工艺简单、重复性好；(3)本发明制得的电镀银碳纤维电极，电位差小，极差稳定性优良并且交流阻抗较低；(4)由于电化学沉积技术是在常温下通过氧化还原反应使得纳米银粒子附着在碳纤维上，得到镀银碳纤维复合材料的方法，因此经电镀后得到的镀银碳纤维电极结合了碳纤维与单质银二者的优点，电位极差性能好且灵敏度高，又由于纳米银有较好的抗菌性，因此该发明制备的电极适合长期在海洋里工作，不易附着海洋生物，可用于海洋环境探测电场信号；(5)本发明制备的电镀银碳纤维电极与Ag/AgCl电极相比，保存方便，具有强抗拉力和柔软耐挤压的特点。

附图说明

图1是本发明一种电镀银碳纤维电极的制备工艺流程图。

图2是本发明实施例1制备电镀银碳纤维电极的电镀过程示意图。

图3为本发明实施例6获得的镀银碳纤维的表面形貌SEM(Scanning electronmicroscope，扫描电子显微镜)图。

图4是本发明实施例6获得的镀银碳纤维的XRD(X-ray diffraction，X射线衍射)图。

图5是本发明实施例1和实施例6获得的电镀银碳纤维电极的24h电极电位性能图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例1：

本发明制备方法中所用原料纯度分别为AgNO₃(>99.0％)(市售)、NaNO₃(>99.0％)(市售)、碳纤维(市售)。根据电镀液的设计配方，按化学计量比计算原料所需计量。

参考图1，实施例1的制备过程为：

首先称取2g碳纤维束在丙酮溶液中浸泡24h以去除表面上浆剂等杂质，接着将浸泡在丙酮溶液中的碳纤维束超声处理30min，用去离子水清洗至中性；再用乙醇溶液浸泡碳纤维束并超声处理30min，用去离子水清洗至中性，之后置于60℃烘箱保温2h。将烘干后的碳纤维束置于马弗炉中进行400℃热氧化处理，升温速率为3℃/min，保温2h，之后随炉冷却，用去离子水超声30min，清洗至中性，再置于60℃烘箱保温2h。然后将热氧化处理后的碳纤维束剪裁成4.5cm长，在剪裁后的碳纤维束的一端绑上银丝固定。

按照化学配比称取25.5gAgNO₃和25.5gNaNO₃混合于300mL去离子水中配制成电镀液。将一对碳纤维束分别连接恒压电源的阳极和阴极，恒压电源的输出电压为2V，将碳纤维束放置于电镀液中电镀10min，电镀过程中，与阴极连接的碳纤维束的表面电镀上纳米银颗粒，即得到镀银碳纤维，之后将镀银碳纤维置于60℃烘箱烘干2h。

将绑有银丝的镀银碳纤维涂上导电胶，套上热缩管进行封装，加热使热缩管收缩，即得到电镀银碳纤维电极。利用该方法，能够制备出比表面积大以及极差稳定性优良的电镀银碳纤维电极。

实施例1的电镀过程见图2，图2中，1代表碳纤维束，2代表银丝，3表示恒压电源。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别仅在于：恒压电源的输出电压为3V；其余则与实施例1基本相同。

实施例3：

实施例3与实施例1的区别仅在于：恒压电源的输出电压为4V；其余则与实施例1基本相同。

实施例4：

实施例4与实施例1的区别仅在于：电镀时间为15min；其余则与实施例1基本相同。

实施例5：

实施例5与实施例1的区别仅在于：电镀时间为20min；其余则与实施例1基本相同。

实施例6：

首先称取2g碳纤维束浸泡在丙酮溶液中静置24h以去除表面上浆剂等杂质。将浸泡在丙酮溶液中的碳纤维束超声处理30min，用去离子水清洗至中性；再用乙醇溶液浸泡碳纤维束超声处理30min，用去离子水清洗至中性，置于60℃烘箱保温2h。将烘干后的碳纤维束置于马弗炉中进行450℃热氧化处理，升温速率为3℃/min，保温2h，之后随炉降温至室温，用去离子水超声30min清洗至中性，在60℃烘箱烘干2h后将热氧化处理过的碳纤维束剪裁为每根4.5cm长，在剪裁后的碳纤维束的一端绑上银丝固定。

按照化学配比，称取25.5gAgNO₃和25.5gNaNO₃混合于300mL去离子水中配制成电镀液。将一对4.5cm长的碳纤维束分别连接恒压电源的阳极和阴极，恒压电源的输出电压为3V，将碳纤维束放置于电镀液中电镀15min，电镀过程中，与阴极连接的碳纤维束的表面电镀上纳米银颗粒，即得到镀银碳纤维，之后将镀银碳纤维置于60℃烘箱烘干2h。

将绑有银丝的镀银碳纤维涂上导电胶，套上热缩管进行封装，加热使热缩管收缩，即得到电镀银碳纤维电极。

采用HitachiS4800型SEM(Scanning electron microscope，扫描电子显微镜)仪对实施例6制得的镀银碳纤维样品进行形貌分析，结果如图3所示，从图3中可以看出，碳纤维沟槽加深，纳米银颗粒较为均匀地附着在碳纤维的表面。

采用德国布鲁克D8 Advance X射线衍射仪(XRD)对实施例6制得的镀银碳纤维样品进行物相结构分析，结果如图4所示，从图4中可以看出，制备的镀银碳纤维样品的XRD有纳米银的典型衍射峰，因此说明实施例6制备的镀银碳纤维样品形成了所需的目标相。

采用美国吉时利DAQ6510数字万用表在室温条件下测试实施例1和实施例6制备的电镀银碳纤维电极的电位差(又称为典型极差)以及极差漂移。通过下式对镀银碳纤维电极的典型极差进行计算：

式中：R₁为一对电镀银碳纤维电极之间的电位差(V)，V₁至V_n为24h内所测得的该对电镀银碳纤维电极不同时间的电位差值，n代表测试的数据个数。通过下式对电镀银碳纤维电极的极差漂移进行计算：

R₂＝V_max-V_min (2)

式中：R₂为一对电极之间电位差漂移(V)，V_max(V)为24h内所测电位差的最大值，V_min(V)为24h内所测电位差的最小值。

测试结果如图5所示，实例1制备出的电镀银碳纤维电极的典型极差为14μV，极差漂移为74μV/24h；实施例6制备出的电镀银碳纤维电极的典型极差为56μV，极差漂移为29μV/24h，典型极差和极差漂移均小于100μV，并且极差稳定性优良。

实施例7：

实施例7与实施例6的区别仅在于：电镀时间为20min；其余则与实施例6基本相同。

实施例8：

实施例8与实施例6的区别仅在于：恒压电源的输出电压为4V；其余则与实施例6基本相同。

实施例9：

首先称取2g碳纤维束浸泡在丙酮溶液中静置24h以去除表面上浆剂等杂质。将浸泡在丙酮溶液中的碳纤维束超声处理30min，用去离子水清洗至中性；再用乙醇溶液浸泡碳纤维束超声处理30min，用去离子水清洗至中性，并置于60℃烘箱烘干2h。将烘干后的碳纤维束置于马弗炉中进行380℃热氧化处理，升温速率为3℃/min。将热处理过的碳纤维束用去离子水超声处理30min，清洗至中性，并置于60℃烘箱烘干2h。然后将烘干的碳纤维束剪裁成每根长度为4.5cm，在剪裁后的碳纤维束的一端绑上银丝固定。

按照化学配比，称取25.5gAgNO₃和25.5gNaNO₃混合于300mL去离子水中配制成电镀液。将一对绑上银丝的碳纤维束分别连接恒压电源的阳极和阴极，恒压电源的输出电压为4V，将碳纤维束放置于电镀液中电镀20min，电镀过程中，与阴极连接的碳纤维束的表面电镀上纳米银颗粒，，即得到镀银碳纤维，之后将镀银碳纤维置于60℃烘箱烘干2h。

将绑有银丝的镀银碳纤维涂上导电胶，套上热缩管进行封装，加热使热缩管收缩，即得到电镀银碳纤维电极。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。