一種高導(dǎo)電碳纖維電極材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)電碳纖維電極材料及制備方法，屬于層狀復(fù)合材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 電極在電解工業(yè)中起著非常重要的作用，目前用于有色金屬提取的不溶性陽極材 料主要有鉛合金(主要是Pb-Ag合金）電極和鈦基涂層電極，然而前者密度大、強度低、易 溶解，且采用鉛合金作為陽極材料，導(dǎo)致電解產(chǎn)品中的鉛含量增加；而后者中的鈦基貴金屬 (銥、釕、鉭）氧化物涂層電極雖已成功應(yīng)用于氯堿工業(yè)，但卻不適合在析氧型的硫酸電解液 中使用，且鈦內(nèi)阻太大也是不可回避的問題。 為克服鉛電極的不足，研究者們主要圍繞兩個方面進(jìn)行：一方面是降低Pb-Ag合金中 銀含量的同時添加其他合金元素（Sr、Sn、Bi、Sb等）及稀土元素（Ce、Tb、Yb等）的多元合 金化以提高合金強度、耐蝕性，并降低槽電壓；另一方面借助電化學(xué)沉積、涂覆等方法在鉛 電極表面電沉積或涂覆一層電催化活性劑和增強劑，如Ir0 2、Ru02、Pb02、1111〇2等，以提高電 極的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性，并增強表面涂層附著力。然而對鉛合金陽極進(jìn)行的種種處理，或在合 金中添加其他元素，或?qū)ζ溥M(jìn)行活化、增強處理，始終解決不了鉛基體在電化學(xué)腐蝕過程中 的溶解問題。由于鈦陽極(主要為尺寸穩(wěn)定型陽極，即DSA陽極）中Mn0 2、Pb02等活性涂層 機械結(jié)合力差，且目前無法將鈦陽極應(yīng)用于酸性析氧領(lǐng)域，研究者們采用Sn0 2、Sn02+Sb203、 Sn02+Ru0 2+Sb203等氧化物作為鈦基體與Mn02、Pb0 2等活性涂層的過渡中間層，以形成氧化 物固溶體來增強基體與活性層之間的粘結(jié)力和耐蝕性。如CN103439385A公開的"一種 DSA電極的制作方法"，該方法是以鈦板為基體，在其表面上依次布設(shè)Sn0 2-Sb20x中間層和 Ti02-Ru0 2-Ir02-F活性層；CN103147093A公布的"一種長壽命DSA電極的制備方法"，以金屬 鈦或鈦合金為基體，先將其作為陰極電鍍Sn得到致密中間層，最后在其表面涂覆活性層。 但是，研究者們無論對鈦基涂層電極材料作何種處理和改善，始終無法改變鈦內(nèi)阻大的事 實，且選擇Sn0 2摻雜的過渡中間層，內(nèi)阻更大。而且，以上所陳述的研究者們所研究的電極 材料始終沒有擺脫以金屬鉛、鈦作為基體。 此外，研究者們還在其他基體材料上進(jìn)行了涂層電極研究，這些基體材料的選擇主要 有塑料、玻璃和陶瓷。塑料、玻璃和陶瓷基體雖然不會產(chǎn)生鈍化層、且不會被浸蝕，但是它們 畢竟是不導(dǎo)電的基體材料。 碳纖維作為近年來發(fā)展起來的新型碳材料，具有密度小、強度高、剛度好、耐高溫、耐腐 蝕、抗輻射、抗疲勞、高導(dǎo)電、導(dǎo)熱、成本低等一系列優(yōu)異的特性，備受工業(yè)界的重視。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的鉛合金電極易溶解、鈦基涂層電極內(nèi)阻大和塑料、陶 瓷等材料本身不導(dǎo)電的問題，提出一種新型的陽極材料一碳纖維，并提供了一種制備工藝 簡單、成本低、適應(yīng)性強、導(dǎo)電性好、催化活性強的碳纖維電極材料的制備方法。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的高導(dǎo)電碳纖維電極材料是在導(dǎo)電性優(yōu)異的碳纖維布 表面直接電沉積一層活性層，表面活性層的厚度為0. 2~1mm。用來粘結(jié)兩層碳纖維布的 導(dǎo)電樹脂膠的厚度為〇. 1~1mm。用導(dǎo)電樹脂膠將多層碳纖維布依次粘結(jié)至需要的電極厚 度，電極厚度為2~6mm。 本發(fā)明的制備方法包括按下列步驟進(jìn)行： 1) 將碳纖維布裁剪至合適尺寸，并用堿液在常溫下對碳纖維布表面進(jìn)行除油10~ 60min ； 2) 將上述裝有碳纖維布的堿液一同置于超聲波清洗器中，超聲波處理10~60min ; 3) 用蒸餾水清洗干凈上述除油并超聲清洗處理后的碳纖維布表面； 4) 將上述清洗干凈后的碳纖維布浸入常溫條件、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的濃硝酸中10~ 60min，進(jìn)行表面刻蝕處理； 5) 將經(jīng)過濃硝酸刻蝕處理的碳纖維布用蒸餾水煮沸洗凈； 6) 將上述煮沸洗凈后的碳纖維布自然晾干； 7) 將多層上述晾干后的碳纖維布進(jìn)行疊加，并用導(dǎo)電樹脂膠粘結(jié)至需要的電極厚度； 8) 將上述用導(dǎo)電樹脂膠粘結(jié)后的多層碳纖維布進(jìn)行四周封膠處理并晾干； 9) 在30~80°C的溫度下，用每升中含100~200g硝酸鉛、0~10g氟化鈉、5~50mL 濃硝酸的混合溶液對上述封膠后的碳纖維布的表面進(jìn)行電沉積鉛處理，其中，電流密度為 10~100mA ? cnT2,電沉積時間為0. 2h~2. 5h，極板間距為1~5cm，陰極板為石墨； 10) 用蒸餾水清洗干凈上述電沉積鉛處理后的碳纖維布的表面，制備得到導(dǎo)電性優(yōu)異 的碳纖維電極材料。 所述的步驟1)中的堿溶液每升中含有10~l〇〇g的氫氧化鈉、5~50g的碳酸鈉和3~ 20滴的清洗劑。 所述的步驟7)、8)中的導(dǎo)電樹脂膠由北京建隆電子化工有限公司生產(chǎn)，導(dǎo)電樹脂膠以 合成樹脂為粘結(jié)劑、導(dǎo)電碳粉為導(dǎo)電填料配以適當(dāng)?shù)娜軇?、增韌劑混合而成，用來粘結(jié)兩層 碳纖維布的導(dǎo)電樹脂膠的厚度為0. 1~1mm。 所述的步驟9)中電沉積得到的表面活性層二氧化鉛的厚度為0. 2~1mm。 所述的步驟7)、8)、9)、10)中的碳纖維電極的厚度為2~6mm。 本發(fā)明提供的碳纖維電極材料的制備方法是先利用預(yù)處理和表面改性處理，去除油污 與雜質(zhì)，使碳纖維表面清潔，改善其粘結(jié)性，以利于與鉛沉積層的復(fù)合，提高電極材料的穩(wěn) 定性；直接實現(xiàn)活性物質(zhì)二氧化鉛在碳纖維表面上的復(fù)合，并不需要其他的粘結(jié)劑或中間 層，降低電極內(nèi)阻，有效提高活性物質(zhì)的比例；活性物質(zhì)在碳纖維表面分布均勻，可提高電 極材料的導(dǎo)電性。本方法制備得到的碳纖維電極材料的活性層平整、附著力強、催化活性 好，成本低、工藝簡單且穩(wěn)定性好。
【附圖說明】
[0004] 下面以實例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容并不限于此。 圖1是本發(fā)明的碳纖維電極的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖（以兩層為例)。 圖2為實施例1所制備的碳纖維電極表面的X射線衍射圖譜。 圖3為實施例1、實施例2、實施例3中制備的碳纖維電極材料與傳統(tǒng)鉛電極材料的極 化曲線對比圖。 圖中：1 一表示壓實面，2-為導(dǎo)電樹脂膠，3-為碳纖維布。
【具體實施方式】
[0005]從圖2中可以看到，在20°~80°的范圍出現(xiàn)了 12個衍射峰的峰位，對照PDF卡 片可知，譜峰均為0-PbO#eH體的衍射譜峰，達(dá)到了電沉積的預(yù)期目的（0 _Pb02活性層的導(dǎo) 電性優(yōu)異)。 從圖3中可以看出，所制備的電極材料與傳統(tǒng)鉛電極材料相比，極化電位出現(xiàn)了較明 顯的負(fù)移，達(dá)到了預(yù)期的目的。 實施例1 首先將碳纖維布裁剪至合適尺寸后用每升中含有70g氫氧化鈉、30g碳酸鈉和10滴清 洗劑的混合液在常溫下對碳纖維布表面進(jìn)行除油30min，再將裝有碳纖維布的混合液一同 置于超聲波清洗器中超聲波處理20min，用蒸餾水清洗碳纖維布表面，接著將清洗干凈后的 碳纖維布浸入常溫條件、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的濃硝酸中30min，進(jìn)行表面刻蝕處理，用蒸餾水 將碳纖維布煮沸洗凈并自然晾干，將多層晾干后的碳纖維布進(jìn)行疊加，每兩層碳纖維間涂 上厚度為〇. 5mm的導(dǎo)電