本文關(guān)鍵詞：高導(dǎo)電碳纖維電極材料的界面結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

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【摘要】：目前,濕法冶金工業(yè)和電化學(xué)領(lǐng)域仍然大多采用鉛合金和鈦為基體的電極材料。但鉛合金電極中的析氧電位高,能耗大,易溶解,每噸電解鋅所耗鉛電極板0.2塊,我國(guó)每年因電解鋅消耗的鉛電極板在150萬(wàn)塊以上,使得電解冶金行業(yè)的成本增加,且鉛合金電極易溶解的特點(diǎn)會(huì)在電極工作過(guò)程中污染電解液和陰極析出產(chǎn)品,降低析出產(chǎn)品質(zhì)量。而鈦基涂層電極中的鈦基體同樣存在內(nèi)阻大的問(wèn)題,且不適合硫酸體系的電解(積)提取有色金屬,應(yīng)用范圍較窄。因此,開(kāi)發(fā)一種適應(yīng)性廣、耐蝕性能強(qiáng)且成本低廉的新型電極材料已成濕法冶金領(lǐng)域的重要課題。基于以上電極材料還存在的一些問(wèn)題,并著眼于未來(lái)可規(guī)�；a(chǎn)應(yīng)用的目標(biāo),本研究從涂層電極材料的基體材料入手,提出以質(zhì)量輕、導(dǎo)電性好、耐腐蝕、強(qiáng)度高、比表面積大的碳纖維布作為電極的骨架和基體材料,在經(jīng)表面處理后的碳纖維基體上采用電化學(xué)沉積法沉積β-PbO2,力圖制備出一種輕質(zhì)、低成本、適應(yīng)性廣的新型電極材料。本研究首先分析熱空氣氧化法和液相氧化法對(duì)碳纖維基體材料的表面形貌、元素組成、官能團(tuán)含量、界面組織形貌的影響,對(duì)比表面處理前后碳纖維基體電極材料的界面結(jié)構(gòu),并利用能譜(EDS)分析碳纖維基體電極界面處的物質(zhì)成分。進(jìn)而,在經(jīng)過(guò)表面處理的碳纖維布表面電沉積β-PbO2活性層,討論電沉積工藝參條件(硝酸鉛濃度、電沉積電流密度、電沉積時(shí)間)對(duì)碳纖維電極活性層組織形貌和碳纖維基體電極材料結(jié)合界面(界面特征、附著力、界面電阻率)的影響,以及碳纖維基體電極界面結(jié)構(gòu)與碳纖維基體電極材料的電化學(xué)性能和耐腐蝕性能的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,比較碳纖維基體二氧化鉛電極材料與傳統(tǒng)鉛合金電極材料的電化學(xué)性能和耐腐蝕性能。最后,在二氧化鉛活性鍍層中進(jìn)行摻雜改性,研究了稀土元素釤(Sm)的摻雜對(duì)碳纖維基體電極活性鍍層組織形貌和碳纖維基體電極材料界面結(jié)合性能的影響,以及摻雜Sm前后,碳纖維基體電極電化學(xué)性能和耐腐蝕性能的變化。研究結(jié)果表明,對(duì)碳纖維表面進(jìn)行熱空氣氧化和液相氧化處理,能夠在短時(shí)間內(nèi)增加碳纖維表面羧基、羰基等含氧官能團(tuán)的數(shù)量,增大O/C比,并在碳纖維表面形成了大量的腐蝕凹坑和溝槽,增大了碳纖維的表面粗糙度。其中熱空氣氧化溫度為400℃時(shí)、液相氧化時(shí)間為60min時(shí),碳纖維基體表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量最多、O/C比最大、化學(xué)活性最強(qiáng),碳纖維基體表面溝槽和凹坑最為明顯。經(jīng)過(guò)表面處理后的碳纖維基體表面粗糙度明顯增加,使得二氧化鉛顆粒能夠更好地沉積在碳纖維表面,活性鍍層與碳纖維基體之間界面結(jié)合良好且明顯優(yōu)于未處理的碳纖維基體；EDS測(cè)試結(jié)果表明碳纖維基體電極界面處沒(méi)有新的化合物產(chǎn)生,因而可以認(rèn)為,碳纖維基體電極材料的界面結(jié)構(gòu)是以范德華力為基礎(chǔ)的機(jī)械嵌合的界面結(jié)合方式。電沉積Pb02的過(guò)程實(shí)際就是Pb02顆粒形成、包裹碳纖維絲、填充碳纖維布的縫隙和覆蓋整個(gè)碳纖維布的形態(tài),最后得到光滑平整、致密均勻的電極活性鍍層。XRD物相分析的結(jié)果表明,采用酸性鍍液在碳纖維基體表面電沉積的活性層物質(zhì)為β-PbO2。采用單一變量法研究硝酸鉛濃度、電沉積電流密度及電沉積時(shí)間對(duì)碳纖維電極表面形貌和碳纖維基體電極材料界面結(jié)合性能的影響,結(jié)果表明：碳纖維基β-PbO2電極的最佳制備工藝條件為硝酸鉛濃度為150g·L-1、電沉積電流密度為40mA·cm-2和電沉積時(shí)間為100min。在該條件下制備的碳纖維基體電極界面結(jié)合緊密,活性鍍層與碳纖維基體之間的界面結(jié)合性能最好,界面電阻率最小,為6.75×10-5Ω·m,導(dǎo)電性能最好,使得該條件下制備的碳纖維基體電極材料的電化學(xué)性能和耐腐蝕性能優(yōu)于其他條件下制備的碳纖維基體電極。與傳統(tǒng)鉛合金電極相比,同體積的碳纖維電極的質(zhì)量減輕了70.2%,碳纖維基體電極對(duì)比傳統(tǒng)鉛合金電極極化電位負(fù)移98mV,且具有更高的自腐蝕電位1.085V和較低的自腐蝕電流密度2.074×10-4A·cm-2,腐蝕速率僅為傳統(tǒng)鉛合金電極的1/5左右,耐腐蝕性能更強(qiáng)。說(shuō)明碳纖維基體電極材料具有輕質(zhì)、電催化活性強(qiáng)、耐腐蝕性能強(qiáng)的特點(diǎn),將其應(yīng)用到實(shí)際電解沉積中,能夠顯著降低成本、節(jié)能降耗、增加電極材料的穩(wěn)定性。稀土元素Sm的摻雜結(jié)果表明,Sm的加入能夠大幅促進(jìn)Pb02晶核形成,并有效抑制PbO2晶粒的長(zhǎng)大,達(dá)到細(xì)化晶粒的作用,使其能夠填滿碳纖維布的縫隙,改善碳纖維基體與活性層之間的界面結(jié)合性能,增大活性鍍層與碳纖維基體問(wèn)的界面結(jié)合性能,界面電阻率降低5.81%,改善碳纖維電極的導(dǎo)電性能。摻雜有Sm的碳纖維基體電極極化電位負(fù)移量達(dá)到85mV,增大了碳纖維基體電極的電催化活性。此外,摻雜Sm,還能提高碳纖維電極的穩(wěn)定性和耐腐蝕性能,腐蝕速率降低了11.8%。
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ342.742;O646.54

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1 沃西源;國(guó)內(nèi)外幾種碳纖維性能比較及初步分析[J];高科技纖維與應(yīng)用;2000年02期

2 錢(qián)水林;;碳纖維表面處理技術(shù)探討[J];合成纖維;2008年11期

3 魯學(xué)林;王鈞;徐任信;張聯(lián)盟;;碳纖維導(dǎo)電紙及其復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J];高科技纖維與應(yīng)用;2008年04期

4 ;一種在碳纖維表面制備碳化硅涂層的方法[J];高科技纖維與應(yīng)用;2009年05期

5 馬剛峰;徐澤夕;常青;王新欣;劉書(shū)鋮;;碳纖維上漿劑的開(kāi)發(fā)和研究進(jìn)展[J];現(xiàn)代紡織技術(shù);2012年05期

6 周軍鋒;姜術(shù)丹;司彥斌;鄒鑫;張穎;劉文;;造紙用碳纖維專利技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J];國(guó)際造紙;2012年05期

7 李一;聶俊輝;李楠;柳學(xué)全;賈成廠;;鎳覆膜碳纖維的制備與性能研究[J];功能材料;2012年13期

8 李艷;徐衛(wèi)平;張興龍;;碳纖維表面處理的研究進(jìn)展[J];化纖與紡織技術(shù);2013年03期

9 何秉檉;國(guó)內(nèi)碳纖維研究概況[J];玻璃鋼;1984年02期

10 聶嘉陽(yáng);碳纖維研究生產(chǎn)中值得注意的幾個(gè)問(wèn)題[J];宇航材料工藝;1984年01期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 姚江薇;于偉東;;碳纖維斷面結(jié)構(gòu)觀察[A];復(fù)合材料——基礎(chǔ)、創(chuàng)新、高效：第十四屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上）[C];2006年

2 于偉東;姚江薇;;碳纖維的表面處理及其時(shí)間效應(yīng)[A];復(fù)合材料——基礎(chǔ)、創(chuàng)新、高效：第十四屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上）[C];2006年

3 陳發(fā)橋;王繼輝;冀運(yùn)東;張彥文;;碳纖維表面處理對(duì)聚合物基復(fù)合材料電性能的影響[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（2）[C];2007年

4 張淑斌;劉福杰;王浩靜;孟令瑤;;等離子體技術(shù)在碳纖維表面處理中的應(yīng)用[A];第17屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議（納米復(fù)合材料與界面分論壇）論文集[C];2012年

5 李靈聰;王麗麗;于運(yùn)花;楊小平;;碳纖維表面性質(zhì)及其環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料濕熱性能研究[A];2013年全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集——主題L：高性能樹(shù)脂[C];2013年

6 冀克儉;張以河;汪信;張復(fù)濤;張銀生;;碳纖維的臭氧表面處理及其XPS表征[A];加入WTO和中國(guó)科技與可持續(xù)發(fā)展——挑戰(zhàn)與機(jī)遇、責(zé)任和對(duì)策（下冊(cè)）[C];2002年

7 齊志軍;孫浩;李健卓;;碳纖維氣相表面處理的方法[A];低碳經(jīng)濟(jì)與科學(xué)發(fā)展——吉林省第六屆科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2010年

8 張美云;鐘林新;劉正偉;;碳纖維表面氧化改性的研究[A];中國(guó)造紙學(xué)會(huì)第十三屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下）[C];2008年

9 馬金瑞;趙龍;李敏;張佐光;;幾種碳纖維表面能差異性研究[A];第17屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議（納米復(fù)合材料與界面分論壇）論文集[C];2012年

10 王慧;林群芳;周曉東;;可針對(duì)不同性質(zhì)基體自適應(yīng)構(gòu)建強(qiáng)相互作用的碳纖維表面改性方法[A];2012年全國(guó)高分子材料科學(xué)與工程研討會(huì)學(xué)術(shù)論文集（下冊(cè)）[C];2012年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 柴英新;碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)有較長(zhǎng)安全壽命[N];中國(guó)建材報(bào);2007年

2 陳金昌 鐘雪華 金燦華;碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在舊房改建中的應(yīng)用[N];中華建筑報(bào);2006年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 范大鵬;臨界條件下碳纖維表面清洗及氧化的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

2 李素敏;結(jié)構(gòu)—儲(chǔ)能型碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及性能研究[D];江蘇大學(xué);2015年

3 顧紅星;國(guó)產(chǎn)T800碳纖維表征分析及樹(shù)脂基復(fù)合材料性能研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所);2015年

4 劉志高;氯化鋅活化木材液化物碳纖維孔形成歷程與吸附特性[D];北京林業(yè)大學(xué);2016年

5 王宇威;重氮反應(yīng)修飾碳纖維表面及其復(fù)合材料界面性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

6 武光順;碳纖維表面納米結(jié)構(gòu)修飾及其MPSR復(fù)合材料性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

7 馬麗春;碳纖維表面化學(xué)修飾及其復(fù)合材料界面性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

8 郭慧;碳纖維表面能、表面粗糙度及化學(xué)組成的表征[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

9 張建輝;竹材液化物碳纖維的制備、結(jié)構(gòu)與性能表征[D];北京林業(yè)大學(xué);2011年

10 喻冬秀;包覆型短碳纖維的制備和電磁性能的研究[D];華南理工大學(xué);2007年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 宋興來(lái);高溫高壓氨水改性碳纖維的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

2 范大鵬;超臨界二氧化碳對(duì)碳纖維的表面處理[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

3 林楓;缺陷損傷對(duì)碳纖維的強(qiáng)度以及模量的影響[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

4 莊嚴(yán);碳纖維表面改性的研究[D];昆明理工大學(xué);2015年

5 水興瑤;應(yīng)用于熱塑性基體的碳纖維水性上漿劑的制備及性能研究[D];浙江理工大學(xué);2016年

6 侯鑫;碳纖維鎳鈷功能粒子及其柔性導(dǎo)電復(fù)合材料制備及性能研究[D];中北大學(xué);2016年

7 劉美玲;碳纖維負(fù)載二氧化鈦光催化材料的制備及其可見(jiàn)光活性研究[D];長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué);2016年

8 鄒豪豪;碳纖維表面合金化及其鍍層界面特征研究[D];長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué);2016年

9 程文竹;碳纖維增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料的制備及性能研究[D];吉林大學(xué);2016年

10 吉瑞芳;表面修飾的碳纖維強(qiáng)韌化Ni_3Si基復(fù)合材料的研究[D];蘭州理工大學(xué);2016年

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