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摘要：采用红外光谱、单点比表面积检测手段研究了碳纸435T热处理前后的表面结构和比表面积的变化•并将这类 碳纸用作全钒液流氧化还原电池电极材料，对其电化学性能进行了研究•结果表明：热处理10h的碳纸表面有 ~C00H官能团生成，比表面积显著增大，其电化学活性增强.热处理后的碳纸作为电极组装成的电池在电流密度 50mA/cm2时有良好的充放电性能，平均电流和电压效率达到95%和89% _

 

关键词：钒液流电池；碳纸；热处理 中图分类号：TM912 文献标识码：A

 

全钒氧化还原液流电池（简称钒电池）是一种新 型的绿色环保蓄电池，与传统的固相蓄电池相比，具 有浓差极化小、电池容量大且容易调整、寿命长，能 耐受大电流充放电，活性溶液可再生循环使用，不会 产生污染环境的废弃物等诸多优点，在存储能方面 具有广阔的前景，引起了许多研究机构的关注[14].

 

电极材料是限制钒电池应用发展的关键因素之 一，作为全钒氧化还原液流电池的电极应当具有在 含有硫酸溶液和强氧化性的V02+的电解液中有良好 的导电性和循环寿命.碳素材料与金属电极和导 电塑料复合电极相比，由于具有高的表面积、导电性 和高的稳定性而成为钒电池产业化方面电极的主要 选择.

碳纸具有均匀而致密的多孔结构、高的电子传导 能力、良好的化学稳定性和热稳定性而被用作质子交 换膜燃料电池的多孔扩散电极本工作比较了 经过435T热处理前后碳纸表面组成的变化，并将其 作为全钒液流正极材料的电化学性能进行研究.

 

 

1.2碳纸的热处理

 

碳纸（尺寸为 8. 00cm x 8. 00cm x 0. 28mm，上 海河森电气有限公司）热处理温度的选择：对碳纸 试样做热重-差热分析后，确定热处理温度为 435^,将碳纸在马弗炉中435t恒温10h后冷却 取出备用.

 

1.3表征

 

将碳纸研磨成粉后与干燥的KBr充分混合，压 片后，在AVATAR-360傅立叶红外测试仪（Licolet公 司美国）上进行FT-IR测试.用Monsorb直读式比表 面分析仪(美国Quantachrome公司)进行BET单点比 表面积测试，加热温度150尤，通He +30% N2气体， 压力为0.1 MPa.

 

14电化学测试

 

利用电化学工作站（CHI-300，美国CH公司）测 试循环伏安曲线，Ag/AgCl(饱和KC1溶液）电极作为 参比电极，铂电极作对电极，热处理的碳纸工作面积 为1.0cm2，其余部分用石蜡密封作为工作电极，电 解液采用 0.8moI/L V0S04 +3.0mol//L H2S04.其扫 描范围为0~ 1.5V，扫描速度0.005V/S，扫描起始 电位为0V,扫描方向由零向正向扫描到1.5V，再由 正向零扫描.

 

交流阻抗测试利用IM6-电化学工作站, Ag/AgCl(饱和KC1溶液）电极作为参比电极，铂电 极作对电极，热处理的碳纸工作面积为1.0cm2，其 余部分用石蜡密封作为工作电极，正极电解液采用 0. 8mol/L V0S04 +3. 0mol/L H2S04.扫描频率范围 为1(T3105Hz，从高频向低频区扫，扫描振幅为 5mV.

 

全钒液流电池连续的充放电测试在MP-56 二次 电池性能检测仪（广州市晨威电子有限公司）上进行. 经过热处理的碳纸(3.0cm x 3. Ocm)作为电池的正负极， Naficm膜(美国杜邦）作为隔膜，1.6mol/L V( ID) + 3mol/L H2S04作为负极电解液，正极电解液是 1.6mol/L V0S04 +3.0mol/L H2S04.组装静态单电 池，整个测试在室温下进行.

2结果和讨论

2.1热重-差热分析

 

图1为碳纸的热重-差热曲线.由图可知，在 34~435尤有小的放热峰，碳纸试样缓慢失重，这可 能是碳纸中含有的低熔点有机物的挥发.另外参比 *a-Al203中含有水，在435弋开始出现放热峰，试 样失重加快，这可能是在碳纸电极表面上产生了新 的基团，故碳纸热处理温度采用435T.

 

2.2红外和比表面分析

 

热处理前后碳纸的FT-IR图如图2所示，未处理 的碳纸的FT-IR图在3421CFIT1处存在一0H官能团特 征峰，在2910、2850(；111_1存在两个弱的(：_11吸收峰， (^OdWOcirT1)伸缩振动峰以及烯烃的C—H (1391CHT1)面内弯曲振动，说明热处理前的碳纸中 可能存在醛类有机物和一些不饱和烷烃.热处理后 碳纸的FT-IR图谱在3421cm_^W_OH振动峰明显 增强，1720和1600CHT1处出现较强的C=0吸收峰， 说明经过热处理后碳纸表面有一COOH生成.BET单 点吸附法测定热处理前后碳纸的比表面积，处理前 为0.45m2/g，处理后变为51.37m2/g，比表面积显著 增大，可以认为比表面积的显著增大是由于碳纸热 处理后碳纤维被氧化、刻蚀.

 

综上所述，热处理后碳纸表面的醛类化合物和 一些不饱和烷烃减少，碳纸表面有一COOH生成，主 要是因为醛基被氧化成羰基，进而被氧化成羧基.热 处理氧化刻蚀使碳纸的真实面积显著增大.

 

2.3循环伏安分析

 

将热处理前后的碳纸电极在相同条件下作循环伏 安测试，结果如图3所示.在0.2~1. 5V范围内都表

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

 

Wavenumber/cm-1

图2热处理前后碳纸的FT-IR图谱