高导电碳纤维电极材料的界面结构与性能的关系

发布时间：2017-11-03 18:13

  本文关键词：高导电碳纤维电极材料的界面结构与性能的关系

  更多相关文章： 碳纤维电极 电化学性能 耐腐蚀性能 表面处理 界面

【摘要】：目前,湿法冶金工业和电化学领域仍然大多采用铅合金和钛为基体的电极材料。但铅合金电极中的析氧电位高,能耗大,易溶解,每吨电解锌所耗铅电极板0.2块,我国每年因电解锌消耗的铅电极板在150万块以上,使得电解冶金行业的成本增加,且铅合金电极易溶解的特点会在电极工作过程中污染电解液和阴极析出产品,降低析出产品质量。而钛基涂层电极中的钛基体同样存在内阻大的问题,且不适合硫酸体系的电解(积)提取有色金属,应用范围较窄。因此,开发一种适应性广、耐蚀性能强且成本低廉的新型电极材料已成湿法冶金领域的重要课题。基于以上电极材料还存在的一些问题,并着眼于未来可规模化生产应用的目标,本研究从涂层电极材料的基体材料入手,提出以质量轻、导电性好、耐腐蚀、强度高、比表面积大的碳纤维布作为电极的骨架和基体材料,在经表面处理后的碳纤维基体上采用电化学沉积法沉积β-PbO2,力图制备出一种轻质、低成本、适应性广的新型电极材料。本研究首先分析热空气氧化法和液相氧化法对碳纤维基体材料的表面形貌、元素组成、官能团含量、界面组织形貌的影响,对比表面处理前后碳纤维基体电极材料的界面结构,并利用能谱(EDS)分析碳纤维基体电极界面处的物质成分。进而,在经过表面处理的碳纤维布表面电沉积β-PbO2活性层,讨论电沉积工艺参条件(硝酸铅浓度、电沉积电流密度、电沉积时间)对碳纤维电极活性层组织形貌和碳纤维基体电极材料结合界面(界面特征、附着力、界面电阻率)的影响,以及碳纤维基体电极界面结构与碳纤维基体电极材料的电化学性能和耐腐蚀性能的关系。在此基础上,比较碳纤维基体二氧化铅电极材料与传统铅合金电极材料的电化学性能和耐腐蚀性能。最后,在二氧化铅活性镀层中进行掺杂改性,研究了稀土元素钐(Sm)的掺杂对碳纤维基体电极活性镀层组织形貌和碳纤维基体电极材料界面结合性能的影响,以及掺杂Sm前后,碳纤维基体电极电化学性能和耐腐蚀性能的变化。研究结果表明,对碳纤维表面进行热空气氧化和液相氧化处理,能够在短时间内增加碳纤维表面羧基、羰基等含氧官能团的数量,增大O/C比,并在碳纤维表面形成了大量的腐蚀凹坑和沟槽,增大了碳纤维的表面粗糙度。其中热空气氧化温度为400℃时、液相氧化时间为60min时,碳纤维基体表面含氧官能团的数量最多、O/C比最大、化学活性最强,碳纤维基体表面沟槽和凹坑最为明显。经过表面处理后的碳纤维基体表面粗糙度明显增加,使得二氧化铅颗粒能够更好地沉积在碳纤维表面,活性镀层与碳纤维基体之间界面结合良好且明显优于未处理的碳纤维基体；EDS测试结果表明碳纤维基体电极界面处没有新的化合物产生,因而可以认为,碳纤维基体电极材料的界面结构是以范德华力为基础的机械嵌合的界面结合方式。电沉积Pb02的过程实际就是Pb02颗粒形成、包裹碳纤维丝、填充碳纤维布的缝隙和覆盖整个碳纤维布的形态,最后得到光滑平整、致密均匀的电极活性镀层。XRD物相分析的结果表明,采用酸性镀液在碳纤维基体表面电沉积的活性层物质为β-PbO2。采用单一变量法研究硝酸铅浓度、电沉积电流密度及电沉积时间对碳纤维电极表面形貌和碳纤维基体电极材料界面结合性能的影响,结果表明：碳纤维基β-PbO2电极的最佳制备工艺条件为硝酸铅浓度为150g·L-1、电沉积电流密度为40mA·cm-2和电沉积时间为100min。在该条件下制备的碳纤维基体电极界面结合紧密,活性镀层与碳纤维基体之间的界面结合性能最好,界面电阻率最小,为6.75×10-5Ω·m,导电性能最好,使得该条件下制备的碳纤维基体电极材料的电化学性能和耐腐蚀性能优于其他条件下制备的碳纤维基体电极。与传统铅合金电极相比,同体积的碳纤维电极的质量减轻了70.2%,碳纤维基体电极对比传统铅合金电极极化电位负移98mV,且具有更高的自腐蚀电位1.085V和较低的自腐蚀电流密度2.074×10-4A·cm-2,腐蚀速率仅为传统铅合金电极的1/5左右,耐腐蚀性能更强。说明碳纤维基体电极材料具有轻质、电催化活性强、耐腐蚀性能强的特点,将其应用到实际电解沉积中,能够显著降低成本、节能降耗、增加电极材料的稳定性。稀土元素Sm的掺杂结果表明,Sm的加入能够大幅促进Pb02晶核形成,并有效抑制PbO2晶粒的长大,达到细化晶粒的作用,使其能够填满碳纤维布的缝隙,改善碳纤维基体与活性层之间的界面结合性能,增大活性镀层与碳纤维基体问的界面结合性能,界面电阻率降低5.81%,改善碳纤维电极的导电性能。掺杂有Sm的碳纤维基体电极极化电位负移量达到85mV,增大了碳纤维基体电极的电催化活性。此外,掺杂Sm,还能提高碳纤维电极的稳定性和耐腐蚀性能,腐蚀速率降低了11.8%。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ342.742;O646.54

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 沃西源;国内外几种碳纤维性能比较及初步分析[J];高科技纤维与应用;2000年02期

2 钱水林;;碳纤维表面处理技术探讨[J];合成纤维;2008年11期

3 鲁学林;王钧;徐任信;张联盟;;碳纤维导电纸及其复合材料的开发与应用[J];高科技纤维与应用;2008年04期

4 ;一种在碳纤维表面制备碳化硅涂层的方法[J];高科技纤维与应用;2009年05期

5 马刚峰;徐泽夕;常青;王新欣;刘书铖;;碳纤维上浆剂的开发和研究进展[J];现代纺织技术;2012年05期

6 周军锋;姜术丹;司彦斌;邹鑫;张颖;刘文;;造纸用碳纤维专利技术现状与发展趋势[J];国际造纸;2012年05期

7 李一;聂俊辉;李楠;柳学全;贾成厂;;镍覆膜碳纤维的制备与性能研究[J];功能材料;2012年13期

8 李艳;徐卫平;张兴龙;;碳纤维表面处理的研究进展[J];化纤与纺织技术;2013年03期

9 何秉柽;国内碳纤维研究概况[J];玻璃钢;1984年02期

10 聂嘉阳;碳纤维研究生产中值得注意的几个问题[J];宇航材料工艺;1984年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 姚江薇;于伟东;;碳纤维断面结构观察[A];复合材料——基础、创新、高效：第十四届全国复合材料学术会议论文集（上）[C];2006年

2 于伟东;姚江薇;;碳纤维的表面处理及其时间效应[A];复合材料——基础、创新、高效：第十四届全国复合材料学术会议论文集（上）[C];2006年

3 陈发桥;王继辉;冀运东;张彦文;;碳纤维表面处理对聚合物基复合材料电性能的影响[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（2）[C];2007年

4 张淑斌;刘福杰;王浩静;孟令瑶;;等离子体技术在碳纤维表面处理中的应用[A];第17届全国复合材料学术会议（纳米复合材料与界面分论坛）论文集[C];2012年

5 李灵聪;王丽丽;于运花;杨小平;;碳纤维表面性质及其环氧树脂基复合材料湿热性能研究[A];2013年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题L：高性能树脂[C];2013年

6 冀克俭;张以河;汪信;张复涛;张银生;;碳纤维的臭氧表面处理及其XPS表征[A];加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策（下册）[C];2002年

7 齐志军;孙浩;李健卓;;碳纤维气相表面处理的方法[A];低碳经济与科学发展——吉林省第六届科学技术学术年会论文集[C];2010年

8 张美云;钟林新;刘正伟;;碳纤维表面氧化改性的研究[A];中国造纸学会第十三届学术年会论文集（下）[C];2008年

9 马金瑞;赵龙;李敏;张佐光;;几种碳纤维表面能差异性研究[A];第17届全国复合材料学术会议（纳米复合材料与界面分论坛）论文集[C];2012年

10 王慧;林群芳;周晓东;;可针对不同性质基体自适应构建强相互作用的碳纤维表面改性方法[A];2012年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集（下册）[C];2012年

中国重要报纸全文数据库 前2条

1 柴英新;碳纤维补强加固混凝土结构有较长安全寿命[N];中国建材报;2007年

2 陈金昌 钟雪华 金灿华;碳纤维结构加固技术在旧房改建中的应用[N];中华建筑报;2006年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 范大鹏;临界条件下碳纤维表面清洗及氧化的研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

2 李素敏;结构—储能型碳纤维/环氧树脂基复合材料的制备及性能研究[D];江苏大学;2015年

3 顾红星;国产T800碳纤维表征分析及树脂基复合材料性能研究[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2015年

4 刘志高;氯化锌活化木材液化物碳纤维孔形成历程与吸附特性[D];北京林业大学;2016年

5 王宇威;重氮反应修饰碳纤维表面及其复合材料界面性能研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

6 武光顺;碳纤维表面纳米结构修饰及其MPSR复合材料性能研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

7 马丽春;碳纤维表面化学修饰及其复合材料界面性能研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

8 郭慧;碳纤维表面能、表面粗糙度及化学组成的表征[D];哈尔滨工业大学;2010年

9 张建辉;竹材液化物碳纤维的制备、结构与性能表征[D];北京林业大学;2011年

10 喻冬秀;包覆型短碳纤维的制备和电磁性能的研究[D];华南理工大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 宋兴来;高温高压氨水改性碳纤维的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

2 范大鹏;超临界二氧化碳对碳纤维的表面处理[D];哈尔滨工业大学;2006年

3 林枫;缺陷损伤对碳纤维的强度以及模量的影响[D];哈尔滨工业大学;2013年

4 庄严;碳纤维表面改性的研究[D];昆明理工大学;2015年

5 水兴瑶;应用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备及性能研究[D];浙江理工大学;2016年

6 侯鑫;碳纤维镍钴功能粒子及其柔性导电复合材料制备及性能研究[D];中北大学;2016年

7 刘美玲;碳纤维负载二氧化钛光催化材料的制备及其可见光活性研究[D];长春工业大学;2016年

8 邹豪豪;碳纤维表面合金化及其镀层界面特征研究[D];长春工业大学;2016年

9 程文竹;碳纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备及性能研究[D];吉林大学;2016年

10 吉瑞芳;表面修饰的碳纤维强韧化Ni_3Si基复合材料的研究[D];兰州理工大学;2016年

，

本文编号：1137326