[0034] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0035] 实施例1
[0036] 本实施例涉及一种多孔铜基体的制备方法,具体包括如下步骤:
[0037] 步骤一、将若干片被硅橡胶涂敷保留1cm*1cm工作面积的铜箔用#2000水磨砂纸均匀打磨,再用丙酮进行除油处理5分钟,然后用去离子水冲洗干净。室温下,将去油后的铜箔放入由1M盐酸配制的水溶液中进行去氧化物处理,5分钟后取出用去离子水冲洗干净。将铜箔进行干燥处理待电沉积制备多孔铜基体。
[0038] 步骤二、配制电沉积多孔铜溶液,具体配比为硫酸铜(CuSO4):0.1M;硫酸氨((NH4)2SO4):1.0M;柠檬酸钠:0.3M,量取250mL备用。
[0039] 步骤三、用商用铜片做阳极,以铜箔基体作为阴极,置于电沉积液中;开启电源,采用直流电沉积,电沉积工艺参数为:采用两电极直流电沉积,电流为3A,时间为15s,室温(约23℃)。将电沉积多孔铜用去离子水冲洗干净,进行干燥处理后备用。
[0040] 对比例1
[0041] 本对比例的制备条件与实施例1基本相同,区别仅在于电沉积多孔铜溶液中不含柠檬酸钠,且硫酸铵的浓度为0.5M。
[0042] 对比例2
[0043] 本对比例的制备条件与实施例1基本相同,区别仅在于电沉积多孔铜溶液中不含柠檬酸钠。
[0044] 对比例3
[0045] 本对比例的制备条件与实施例1基本相同,区别仅在于电沉积多孔铜溶液中不含柠檬酸钠,且硫酸铵的浓度为2M。
[0046] 对比例4
[0047] 本对比例的制备条件与实施例1基本相同,区别仅在于电沉积多孔铜溶液中不含硫酸铵。
[0048] 实施例1与对比例1~4所制备的多孔铜基体的SEM照片如图1和图2所示,图1a和图1d分别为对比例1所制备的多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM照片,图1b和图1e分别为对比例2所制备的多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM照片;图1c和图1f分别为对比例3所制备的多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM照片。由图中可知,当硫酸铵浓度从0.5M增加到
1.0M时,多孔铜形貌的变化很大。无论是孔径还是强厚度均有显著变化,但是纳米结构还是不规则枝晶。当硫酸铵浓度从1.0M增加到2.0M时,多孔铜形貌的变化不大。无论是孔径还是强厚度或者是纳米结构都很相近。故选择1.0M硫酸铵为下一步实验参数;图2a和图2d分别为对比例2所制备的多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM照片,图2b和图2e分别为对比例4所制备的多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM照片,图2c和图2f分别为实施例1所制备的多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM照片,从图2b和2e中可看出,当不存在硫酸铵时,样品不具有多孔铜形貌,从图2c和2f可看出,硫酸铵和柠檬酸钠同时存在时制备的多孔铜样品无论是孔径还是强厚度均有显著变化,故选择0.3M柠檬酸钠添加剂为下一步实验参数。
[0049] 对比例5
[0050] 本对比例的制备条件与实施例1基本相同,区别仅在于电沉积铜时的电流密度为0.5A/cm2。
[0051] 对比例6
[0052] 本对比例的制备条件与实施例1基本相同,区别仅在于电沉积铜时的电流密度为2
1A/cm。
[0053] 对比例7
[0054] 本对比例的制备条件与实施例1基本相同,区别仅在于电沉积铜时的电流密度为1.5A/cm2。
[0055] 对比例8
[0056] 本对比例的制备条件与实施例1基本相同,区别仅在于电沉积铜时的电流密度为2.0A/cm2。
[0057] 对比例9
[0058] 本对比例的制备条件与实施例1基本相同,区别仅在于电沉积铜时的电流密度为2.5A/cm2。
[0059] 实施例1和对比例5~9制备的多孔铜基体的SEM照片如图3所示,图3a为对比例5制备多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM图片,图3b为对比例6制备多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM图片,图3c为对比例7制备多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM图片;图3d为对比例8制备多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM图片,图3e为对比例9制备多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM图片,图3f为实施例1制备多孔铜基体在不同放大倍数下的SEM图片;由图3a可看出,当沉积电流过低时,发生不规则铜沉积,样品不具有多孔铜形貌。从图3b~3d可看出,多孔铜结构在电流密度为1A/cm2时可以形成,制备的多孔铜样品孔径变化不大,但是墙壁的特征变化明显。墙壁上微孔减少,更加致密。从图3d~3f可看出,多孔铜结构一直存在,样品孔径、墙厚及致密度变化不大。
[0060] 实施例1制备的多孔铜基体的XRD、TEM、HRTEM和SAED图分别如图4、5、6和7所示,面心立方结构铜的特征峰明显被检测到,即Cu(111)、Cu(200)和Cu(220)并且没有检测到明显的氧化峰,可能是因为酸性环境下进行电沉积2价铜更容易还原成铜单质;表明产物晶粒致密且均匀;所测样品的晶面间距为0.2065nm,铜的特征晶面(111)的理论间距吻合较好;图7进一步证明了Cu(111)、Cu(200)和Cu(220)等晶面的存在并且和XRD吻合较好。
[0061] 实施例2
[0062] 本实施例涉及一种柔性可充锌空气电池用多孔锌负极材料的制备方法,具体包括如下步骤:
[0063] 步骤一、配制电沉积锌所用电镀液,具体配比:硫酸锌(ZnSO4·7H2O):250g/L;无水硫酸钠(Na2SO4):30g/L;硫酸铝(Al2(SO4)3):5g/L;DZ-300-I(PEG20000):3ml/L;配制250mL待用。
[0064] 步骤二、用商用锌片做阳极,以电沉积制备的多孔铜基体作为阴极,置于电沉积液中;开启电源,采用直流电沉积,电沉积工艺参数为:电流为0.2A,时间为60~600s,工作距离:3cm,室温(约23℃)。
[0065] 步骤三、锌电沉积后用去离子水冲洗干净,放入冰箱中进行冷冻处理,1小时后取出放入冻干机中进行干燥处理,3小时后取出,置于手套箱中储存。
[0066] 本实施例制备的多孔锌负极材料在不同放大倍数下的SEM照片分别如图8a和图8b所示,标准电沉积锌的生长模式为片状生长,金属锌的覆盖完全致密,多孔结构保持完整,形貌较规整一致。
[0067] 实施例3
[0068] 本实施例涉及对实施例2制备的多孔锌负极材料进行的电化学性能测试,具体包括如下步骤:
[0069] 步骤一、配制固态电解质:1g PVA+8mL反应水,95℃水浴下磁力搅拌60分钟,之后添加1g氢氧化钾(KOH)+水2mL的混合液,95℃水浴下磁力搅拌30分钟;
[0070] 步骤二、组装三明治结构锌-空气电池,采用均匀涂敷商用催化剂的商用碳布作为空气阴极,制备好的多孔锌电极作为阳极,电解质溶液为PVA和6M氢氧化钾的均匀混合物,电流密度为1mA/cm2进行充放电测试,充放电曲线如图9所示,表观电流密度为1mA/cm2,共经历5次充放电循环+1次充电。第1、2、3、4圈分别为400s,第5圈共1600s,最后一次充电时间为800s,充放电测试总时间4000s。前4次充放电期间,电池均处于拟稳定的阶段,电压平台存在一定波动。电池在第5圈是进入稳定状态,电池稳定充放电时的充电电压约为2.10V,放电电压约为1.00V。
[0071] 与现有技术相比,本发明的优点在于:
[0072] 本发明制备出的柔性可充锌空气电池用多孔锌负极材料满足柔性锌-空气电池的阳极使用要求,且工艺简单,实施费用低。
[0073] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。