一种简易酸处理石墨毡的方法
阅读说明：本技术 一种简易酸处理石墨毡的方法 (Simple acid treatment method for graphite felt ) 是由 王连卫 严晨欢 曲艺鸿 熊大元 徐少辉 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种酸处理石墨毡的方法。本发明是为了解决石墨毡的疏水性并且提高石墨毡的电化学性能并且使活性物质的生长更加有利。本发明使用的化学药品主要是石墨毡和浓硝酸。该发明中浓硝酸活化石墨毡的制备方法如下：一、将石墨毡剪裁成合适大小并与浓硝酸在烧杯中混合；二,将水浴锅加热到100℃；三,将装有浓硝酸和石墨毡的烧杯放入水浴锅中并计时,时间以1小时为宜；四,活化完成后,取出石墨毡清洗并在60度恒温环境下干燥过夜。本发明的优点在于：首先,浓硝酸处理石墨毡的方法操作简易,仪器使用也较为灵活；其次,酸处理后石墨毡的疏水性大大改善；最后,酸处理后的石墨毡的电化学性能大大改善,较未处理石墨毡,电荷存储能力是其百倍。(The invention discloses a method for treating a graphite felt by acid. The invention aims to solve the problem of hydrophobicity of the graphite felt, improve electrochemical performance of the graphite felt and enable growth of active substances to be more beneficial. The chemicals used in the invention are mainly graphite felt and concentrated nitric acid. The preparation method of the medium-concentration nitric acid activated graphite felt comprises the following steps: firstly, cutting a graphite felt into a proper size and mixing the graphite felt with concentrated nitric acid in a beaker; secondly, heating the water bath kettle to 100 ℃; thirdly, putting the beaker filled with the concentrated nitric acid and the graphite felt into a water bath kettle, and timing, wherein the time is preferably 1 hour; and fourthly, after the activation is finished, taking out the graphite felt, cleaning and drying the graphite felt overnight in a constant temperature environment of 60 ℃. The invention has the advantages that: firstly, the method for treating the graphite felt by the concentrated nitric acid is simple and easy to operate, and the instrument is flexible to use; secondly, the hydrophobicity of the graphite felt after acid treatment is greatly improved; finally, the electrochemical performance of the graphite felt after acid treatment is greatly improved, and compared with the untreated graphite felt, the charge storage capacity is hundreds of times.)
技术领域
本发明属于电化学领域，涉及到浓硝酸处理石墨毡的方法，以及石墨毡表面改性及引入含氧官能团的方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，能源的需求日渐增长，传统化石燃料会导致严重的环境污染，所以绿色能源被寄予很大的期待，然而绿色能源由于不稳定，所以构造高能量密度的储能装置是一大研究热点。与大多数材料相比，石墨毡具有成本低，比表面积大，稳定性高，能弯折制作成可穿戴设备等优点，这些都使其在商业化上具有优势。然而石墨毡也具有自身的问题。例如，石墨毡的容量有限，这根本上制约了它在储能方面的直接应用；另一方面，石墨毡本身是疏水性的，这让它与一些非金属氧化物结合时，也不甚牢固，容易脱落或者无法结合。因此，处理碳基电极在保留其本身优势的情况下，进一步提高其电化学性能具有重要意义。基于浓硝酸简易处理石墨毡表现出优异的电化学性能。在KOH溶液中，石墨毡在浓硝酸处理后的容量由原来的0.01mF cm-2提升至272.6mF cm-2,另外通过接触角测量发现石墨毡的疏水性也大大改善。在稳定性测试中，处理过的石墨毡在KOH溶液中进行多次充放电循环，其容量损失几乎可以忽略不计。
发明内容
本发明提供一种简易酸处理石墨毡的方法，具体为引入含氧官能团提高其电化学性能方法，以解决现有石墨毡储能低，与其他活性物质结合能力差的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种简易酸处理石墨毡的方法，包括以下步骤：
第一步、将石墨毡剪裁成2.5×2.5cm的大小，制作同样大小的石墨毡两片备用；
第二步、打开水浴锅，将水浴锅的温度设置为100度，等待水浴锅加热；
第三步、量取40ml浓硝酸倒入合适大小的烧杯中，并把第一步中的石墨毡放入烧杯中，然后转移至第二步中的水浴锅中；
第四步、等待水浴锅加热至100℃后，开始计时，反应时间为1h；
第五步、等待第四步中的浓硝酸与石墨毡充分反应后，将烧杯从水浴锅中取出，关闭水浴锅，将石墨毡从烧杯中取出，小心处理废液；
第六步、反复冲洗石墨毡直至冲洗溶液的PH为中性为止；
第七步、将清洗干净的石墨毡转移至真空干燥箱，调至60℃干燥。
上述方法中，
所述的步骤一中，选用的石墨毡为1mm厚为宜。
所述的步骤三中，水浴锅加热至60度左右时，将烧杯转移至水浴锅中。
所述的步骤四中，将水浴锅的盖子盖上以保持温度稳定。
所述的步骤五中，取出烧杯溶液颜色变为棕黄色。
所述的步骤六中，第一次清洗液为中性后，仍需进行下一次清洗，再进行清洗液PH测试，确保硝酸没有残留在石墨毡上。
所述的步骤七中，石墨毡干燥时间需要大于8小时，以确保石墨毡被完全干燥。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用浓硝酸作为主要的化学药品用于石墨毡的处理，成本低廉。
(2)本发明采用的温度是100℃，是水沸腾的温度，能够使用水浴锅直接提供所需的温度要求，相对来说，操作简便，重现性好。
(3)本发明所制得的石墨毡，电化学性能优异，容量大大提高的同时，也没有破坏石墨毡的稳定性，同时亲水性的提高也有利于石墨毡和其他活性物质相结合，再进一步提高电极的容量。
附图说明
图1是原始石墨毡的SEM图；
图2是浓硝酸处理之后的石墨毡的SEM图；
图3是原始石墨毡的接触角测量；
图4是浓硝酸处理后石墨毡的接触角测量；
图5是原始石墨毡在KOH溶液中的CV图；
图6是浓硝酸处理之后石墨毡在KOH溶液中的CV图；
图7是原始石墨毡和浓硝酸处理之后石墨毡的XPS全谱图；
图8是浓硝酸处理之后石墨毡的C1s光谱图；
图9原始石墨毡和浓硝酸处理之后石墨毡的Raman图；
图10是原始石墨毡和浓硝酸处理之后石墨毡的氮吸附曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作更进一步的说明。
本发明步骤中必须严格控制反应时间，反应时间对于最终产物敏感。
本发明步骤中必须严格控制反应温度，实验过程中需要保持温度稳定。
本发明步骤中必须严格控制反应物的量，浓硝酸和石墨毡的反应比例是一定的。
实施例1
一种简易的石墨毡酸处理方式并且引入含氧官能团提高其电化学性能方法步骤如下：
第一步、将石墨毡剪裁成2.5×2.5cm的大小，制作同样大小的石墨毡两片备用。；
第二步、打开水浴锅，将水浴锅的温度设置为100度，等待水浴锅加热；
第三步、量取40ml浓硝酸倒入合适大小的烧杯中，并把第一步中的石墨毡
放入烧杯中，然后转移至第二步中的水浴锅中；
第四步、等待水浴锅加热至100℃后，开始计时，反应时间为1h；
第五步、等待第四步中的浓硝酸与石墨毡充分反应后，将烧杯从水浴锅中取出，关闭水浴锅，将石墨毡从烧杯中取出，小心处理废液；
第六步、反复冲洗石墨毡直至冲洗溶液的PH为中性为止；
第七步、将清洗干净的石墨毡转移至真空干燥箱，调至60℃干燥。
实施例2
一种简易的石墨毡酸处理方式并且引入含氧官能团提高其电化学性能方法步骤如下：
第一步、将石墨毡剪裁成2.5×2.5cm的大小，制作同样大小的石墨毡两片备用。；
第二步、打开水浴锅，将水浴锅的温度设置为100度，等待水浴锅加热；
第三步、量取40ml浓硝酸倒入合适大小的烧杯中，并把第一步中的石墨毡放入烧杯中，然后转移至第二步中的水浴锅中；
第四步、等待水浴锅加热至100℃后，开始计时，反应时间为1h；
第五步、等待第四步中的浓硝酸与石墨毡充分反应后，将烧杯从水浴锅中取出，关闭水浴锅，将石墨毡从烧杯中取出，小心处理废液；
第六步、反复冲洗石墨毡直至冲洗溶液的PH为中性为止；
第七步、将清洗干净的石墨毡转移至真空干燥箱，调至60℃干燥。
实施例3
一种简易的石墨毡酸处理方式并且引入含氧官能团提高其电化学性能方法步骤如下：
第一步、将石墨毡剪裁成2.5×2.5cm的大小，制作同样大小的石墨毡两片备用。；
第二步、打开水浴锅，将水浴锅的温度设置为100度，等待水浴锅加热；
第三步、量取40ml浓硝酸倒入合适大小的烧杯中，并把第一步中的石墨毡放入烧杯中，然后转移至第二步中的水浴锅中；
第四步、等待水浴锅加热至100℃后，开始计时，反应时间为1h；
第五步、等待第四步中的浓硝酸与石墨毡充分反应后，将烧杯从水浴锅中取出，关闭水浴锅，将石墨毡从烧杯中取出，小心处理废液；
第六步、反复冲洗石墨毡直至冲洗溶液的PH为中性为止；
第七步、将清洗干净的石墨毡转移至真空干燥箱，调至60℃干燥。
实施例4
一种简易的石墨毡酸处理方式并且引入含氧官能团提高其电化学性能方法步骤如下：
第一步、将石墨毡剪裁成2.5×2.5cm的大小，制作同样大小的石墨毡两片备用。；
第二步、打开水浴锅，将水浴锅的温度设置为100度，等待水浴锅加热；
第三步、量取40ml浓硝酸倒入合适大小的烧杯中，并把第一步中的石墨毡放入烧杯中，然后转移至第二步中的水浴锅中；
第四步、等待水浴锅加热至100℃后，开始计时，反应时间为1h；
第五步、等待第四步中的浓硝酸与石墨毡充分反应后，将烧杯从水浴锅中取出，关闭水浴锅，将石墨毡从烧杯中取出，小心处理废液；
第六步、反复冲洗石墨毡直至冲洗溶液的PH为中性为止；
第七步、将清洗干净的石墨毡转移至真空干燥箱，调至60℃干燥。
经过酸处理后的石墨毡，石墨毡与酸反应后其结构得到了保留，没有被大肆破坏；石墨毡的表面由疏水变为亲水；石墨毡表面被引入了含氧官能团，有利于提高其电化学性能。石墨毡在浓硝酸处理后的容量由原来的0.01mF cm-2提升至272.6mF cm-2，同时石墨毡的疏水性也得到很大改善。
图1是原始石墨毡的SEM图；实施例1-4所处理后的石墨毡的各项测试结果如图2-10所示：
图2是浓硝酸处理之后的石墨毡的SEM图，可以看到表面形貌没有很大差别，石墨毡的结构没有被破坏；
图3是原始石墨毡的接触角测量，测试时间为10分钟，发现测试前后液滴的大小没有很大改变，说明原始石墨毡是疏水的；
图4是浓硝酸处理后石墨毡的接触角测量，测试过程中当液滴刚接触到石墨毡时就立马消失，说明浓硝酸处理后石墨毡变为亲水状态；
图5是原始石墨毡在KOH溶液中的CV图，扫速是100mV/s，CV曲线的面积代表电极容量，可以看出原始石墨毡在KOH溶液中的容量非常小；
图6是浓硝酸处理之后石墨毡在KOH溶液中的CV图，扫速是100mV/s，与图5相比，容量有了很大提升，这主要来自于浓硝酸处理石墨毡之后引入了含氧官能团的缘故；
图7是原始石墨毡和浓硝酸处理之后石墨毡的XPS全谱图，能够明显发现，浓硝酸处理之后石墨毡的石墨化(C元素)明显降低，O元素的含量明显升高；
图8是浓硝酸处理之后石墨毡的C1s光谱图，可以发现浓硝酸处理之后石墨毡引入的含氧官能团主要是C-O-R，O-C＝O和C＝O；
图9原始石墨毡和浓硝酸处理之后石墨毡的Raman图，D与G的比值是石墨毡的缺陷表现，经过浓硝酸处理之后，石墨毡的缺陷有所增大，也说明石墨毡的结构没有被破坏。
图10是原始石墨毡和浓硝酸处理之后石墨毡的氮吸附曲线图，P/P0<0.1处有明显上升，说明两个样品都有微孔的存在，而浓硝酸处理之后石墨毡在较高压力下有明显的磁滞回线，表明其有中孔的存在。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。