一种氦等离子体用于改进碳布电极电化学性能的方法

1.本发明涉及碳材料电极改性领域，具体为一种氦等离子体用于改进碳布电极电化学性能的方法。


背景技术：

2.碳布是应用于超级电容器的最常见的一种碳材料电极，但碳布本身是疏水性质的，其与电解液接触面积受限，因而碳布基超级电容器(两片碳布电极+电解液)能储存的电荷数目不多，电容较小。为了提高碳布基超级电容器的电容，需改善碳布电极与电解质之间的浸润性。常见的用于提高碳布亲水性的方法有热处理、湿法化学处理和电化学氧化。热处理需要很高的温度条件，能耗较大，反应过程不易控制。如：simple air calcination affords commercial carbon cloth with high areal specific capacitance for symmetrical supercapacitors使用在空气中煅烧的方法在碳布表面引入含氧官能团，使碳布疏水性得到改善，活化碳布电极的单位面积电容可达到1136.7mf
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，但煅烧的温度高达450℃(journal ofmaterials chemistrya2018,6,21078)。湿法化学处理用到的化学试剂可能有毒，不环保，成本高。如：hydrothermally etching commercial carbon cloth to form aporous structure for flexible zinc-ion hybrid supercapacitors使用酸性氯酸钾溶液水热处理碳布，使碳布接枝富氧官能团提高亲水性，且碳布比表面积增大，面积电容可达到4.74mah
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，但氯酸钾溶液易燃易爆有毒(applied surface science 2023,613,156093)。电化学氧化一般需要在强酸性溶液中进行，对设备和操作的要求较高。如：anovel exfoliation strategyto significantly boost the energy storage capability ofcommercial carbon cloth使用h2so
4-hno3电解液直接电化学氧化碳布，使碳布表面变粗糙，拥有大量含氧官能团，面积电容可达到756mf
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，但h2so
4-hno3溶液是强酸性质(advanced materials 2015,27,23,3572-3578)。
3.氦等离子体改性作为一种条件温和、绿色环保、操作简单的技术，无需任何化学试剂，就能有效改善基材表面的亲水性，且不会破坏材料主体性能。surface modification of polypropylene membrane by helium plasma treatment for membrane distillation使用氦等离子体处理聚丙烯膜，有效改善其表面孔隙率和亲水性，使其应用在膜蒸馏的过程中渗透量增加25％(journal ofmembrane science 2021,628,119265)。本发明采用氦等离子体来改善疏水碳布的亲水性，从而改进碳布电极电化学性能。


技术实现要素：

4.采用氦等离子体改善碳布的亲水性，改进碳布电极电化学性能，促进氦等离子体在碳材料电极改性领域中的应用。
5.为了改善碳布的亲水性，以提升碳布电极的电化学性能。与热处理、湿法化学处理、电化学氧化方法不同，本发明提供一种氦等离子体用于改进碳布电极电化学性能的方法。该方法不仅处理条件温和、绿色环保、操作简单，且能有效提升碳布电极的电化学性能，
使碳布基超级电容器电容变大。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种氦等离子体用于改进碳布电极电化学性能的方法，包括如下步骤：
8.(1)使用氦等离子体射流注在碳布表面，常温常压处理，得到氦等离子体处理后的改性碳布；
9.(2)以氦等离子体处理的碳布作为活性电极，氯化钠溶液作为电解液，两片碳布电极浸入氯化钠溶液中，组装成碳布基超级电容器。
10.进一步地，步骤(1)中，氦等离子体处理碳布的时间为3～5min，例如氦等离子体处理碳布的时间为3min、4min或5min。
11.进一步地，步骤(1)中，产生氦等离子体射流的装置为单电极结构等离子体射流装置，所述等离子体射流装置包括等离子体实验电源、铜管、调压器、玻璃管、氦气钢瓶、转子流量计、碳布和培养皿；等离子体实验电源设置有高压输出接线柱、调压器、输出频率调节旋钮和地线；等离子体实验电源的高压输出接线柱连接铜管；等离子体实验电源连接调压器；铜管外层套着玻璃管作为保护层；氦气钢瓶依次连接转子流量计和铜管；碳布放在培养皿内；培养皿放置在玻璃管出口下方，玻璃管出口对准碳布样品；等离子体实验电源的地线接地。
12.进一步地，步骤(1)中，用铜夹子连接等离子体实验电源高压输出接线柱和铜管，铜管作为正极；铜管上方连接氦气钢瓶作为气源装置，氦气流速采用转子流量计调控，流速设置为2l/min；调控等离子体实验电源的调压器和输出频率调节旋钮，使铜管通上5.7kv高压电以电离氦气，在铜管出口产生氦等离子体射流；产生的氦等离子体射流注在碳布表面。
13.进一步地，步骤(1)中，铜管内径为3mm；玻璃管结构为上段长度200mm，内径4mm，厚2mm，下段长度10mm，内径2mm，厚1mm，两段之间平滑过渡。
14.进一步地，步骤(1)中，碳布样品距离玻璃管出口10mm。
15.进一步地，步骤(2)中，碳布电极面积为10mm*10mm，两片碳布电极间隔17mm，氯化钠电解液浓度为1mol/l。
16.进一步地，步骤(2)中，组装三种碳布基超级电容器：两片碳布电极都未被氦等离子体处理、单片碳布电极被氦等离子体处理和两片碳布电极都被氦等离子体处理；以两片碳布电极都未被氦等离子体处理的超级电容器作为对照组。
17.具体地，一种氦等离子体用于改进碳布电极电化学性能的方法，采用单电极结构等离子体射流装置，用铜夹子连接ctp-2000k等离子体实验电源高压输出接线柱的铜管作为正极，铜管内径为3mm。为了安全，铜管外层套着一玻璃管，玻璃管结构为上段长度200mm，内径4mm，厚2mm，下段长度10mm，内径2mm，厚1mm，两段之间平滑过渡。等离子体实验电源需接地线。铜管上方连接氦气钢瓶，氦气流速采用转子流量计调控，设置为2l/min。调控等离子体实验电源的调压器和输出频率调节旋钮，使铜管通上5.7kv高压电以电离氦气，在铜管出口产生氦等离子体射流。盛着碳布样品的培养皿放置在玻璃管出口10mm处，产生的氦等离子体射流注在碳布表面，处理时间设置为3min。之后，以1mol/l氯化钠溶液作为电解液，两片面积为10mm*10mm、间隔17mm的碳布作为电极，组装三种碳布基超级电容器：两片碳布电极都未被氦等离子体处理、单片碳布电极被氦等离子体处理和两片碳布电极都被氦等离子体处理，以两片碳布电极都未被氦等离子体处理的超级电容器作为对照组。
18.本发明具有如下有益效果：
19.(1)氦等离子体处理条件温和、绿色环保、操作简单；
20.(2)氦等离子体能使碳布的亲水性得到改善，碳布电极与氯化钠电解液之间的电荷转移电阻变小，接触面积变大，从而碳布基超级电容器能存储更多电荷，电容性能增强。通过使用氦等离子体处理碳布3min，能使碳布由疏水性质转变为亲水性质，碳布的水接触角由135
°
降低至33
°
，碳布的亲水性得到很大改善。氦等离子体处理的碳布电极与氯化钠电解液之间的接触面积变得更大，电荷转移电阻更小。相比未经氦等离子体处理的碳布基超级电容器电容值0.707*10-5
f，氦等离子体能使碳布基超级电容器电容显著变大，只有单片碳布电极被氦等离子体处理的超级电容器电容提升到4.460*10-5
f，两片碳布电极都被氦等离子体处理的超级电容器电容提升到13.159*10-5
f，电容增加了18倍。
附图说明
21.图1为本发明氦等离子体改进碳布电极电化学性能的工艺装置图。
22.图中，1.ctp-2000k等离子体实验电源，2.高压输出接线柱，3.铜管，4.玻璃管，5.氦气钢瓶，6.转子流量计，7.调压器，8.输出频率调节旋钮，9.氦等离子体射流，10.碳布样品，11.培养皿，12.地线。
23.图2中a为未经氦等离子体处理的碳布水接触角，b为经氦等离子体处理3min的碳布水接触角。
24.图3为经氦等离子体处理单片碳布和双片碳布3min的超级电容器交流阻抗谱。
25.图4为经氦等离子体处理单片碳布和双片碳布3min的碳布基超级电容器电容值。
具体实施方式
26.下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
27.如图1所示，本发明使用单电极结构等离子体射流装置，所述单电极结构等离子体射流装置包括ctp-2000k等离子体实验电源1、铜管3、玻璃管4、氦气钢瓶5、转子流量计6、碳布样品10和培养皿11。所述等离子体实验电源为ctp-2000k等离子体实验电源1。ctp-2000k等离子体实验电源1设置有高压输出接线柱2、调压器7、输出频率调节旋钮8和地线12。ctp-2000k等离子体实验电源1的高压输出接线柱2连接铜管3。铜管3外层套着玻璃管4。氦气钢瓶5依次连接转子流量计6和铜管3。调压器7连接ctp-2000k等离子体实验电源1。碳布样品10放置于培养皿11内。培养皿11放置在玻璃管4的出口下方。ctp-2000k等离子体实验电源1的地线12接地。
28.单电极结构等离子体射流装置在使用时，把用铜夹子连接ctp-2000k等离子体实验电源1高压输出接线柱2的铜管3作为正极，铜管内径为3mm。为了安全，铜管外层套着一只玻璃管4，玻璃管4结构为上段长度200mm，内径4mm，厚2mm，下段长度10mm，内径2mm，厚1mm。铜管3上方连接有氦气钢瓶5，还可以采用氩气和空气气源装置。调节转子流量计6旋钮来控制氦气流速，流速设置为2l/min，也可以采用其他流速，但电离气体的电压需相应改变。调控ctp-2000k等离子体实验电源1的调压器7和输出频率调节旋钮8，使铜管通上5.7kv高压5f，两片碳布电极都被氦等离子体处理3min的超级电容器电容提升到13.159*10-5
f，电容增加了18倍。
38.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
39.以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种氦等离子体用于改进碳布电极电化学性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)使用氦等离子体射流注在碳布表面，常温常压处理，得到氦等离子体处理后的改性碳布；(2)以氦等离子体处理的碳布作为活性电极，氯化钠溶液作为电解液，两片碳布电极浸入氯化钠溶液中，组装成碳布基超级电容器。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，氦等离子体处理碳布的时间为3～5min。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，产生氦等离子体射流的装置为单电极结构等离子体射流装置，所述等离子体射流装置包括等离子体实验电源、铜管、调压器、玻璃管、氦气钢瓶、转子流量计、碳布和培养皿；等离子体实验电源设置有高压输出接线柱、调压器、输出频率调节旋钮和地线；等离子体实验电源的高压输出接线柱连接铜管；等离子体实验电源连接调压器；铜管外层套着玻璃管作为保护层；氦气钢瓶依次连接转子流量计和铜管；碳布放在培养皿内；培养皿放置在玻璃管出口下方，玻璃管出口对准碳布样品；等离子体实验电源的地线接地。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，用铜夹子连接等离子体实验电源高压输出接线柱和铜管，铜管作为正极；铜管上方连接氦气钢瓶作为气源装置，氦气流速采用转子流量计调控，流速设置为2l/min；调控等离子体实验电源的调压器和输出频率调节旋钮，使铜管通上5.7kv高压电以电离氦气，在铜管出口产生氦等离子体射流；产生的氦等离子体射流注在碳布表面。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，铜管内径为3mm；玻璃管结构为上段长度200mm，内径4mm，厚2mm，下段长度10mm，内径2mm，厚1mm，两段之间平滑过渡。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，碳布样品距离玻璃管出口10mm。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，碳布电极面积为10mm*10mm，两片碳布电极间隔17mm，氯化钠电解液浓度为1mol/l。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，组装三种碳布基超级电容器：两片碳布电极都未被氦等离子体处理、单片碳布电极被氦等离子体处理和两片碳布电极都被氦等离子体处理；以两片碳布电极都未被氦等离子体处理的超级电容器作为对照组。

技术总结
本发明公开一种氦等离子体用于改进碳布电极电化学性能的方法，包括如下步骤：使用氦等离子体射流注在碳布表面，常温常压处理，得到氦等离子体处理后的改性碳布；以氦等离子体处理的碳布作为活性电极，氯化钠溶液作为电解液，两片碳布电极浸入氯化钠溶液中，组装成碳布基超级电容器。氦等离子体处理条件温和、绿色环保、操作简单；氦等离子体能使碳布的亲水性得到改善，碳布电极与氯化钠电解液之间的电荷转移电阻变小，接触面积变大，从而碳布基超级电容器能存储更多电荷，电容性能增强。电容性能增强。电容性能增强。


技术研发人员：周建 吴征威
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/23