專利名稱：碳膜及其制備方法
技術領域：
本發明涉及表面處理技術，特別是涉及碳膜及其制備方法。
背景技術：
熔鹽電化學是研究直流通過熔鹽而弓I起的化學變化以及因化學變化而在熔鹽中產生電流的一門科學，或者說，熔鹽電化學是研究熔鹽電解和熔鹽電池的一門科學，因此，熔鹽電化學因熔鹽電解的出現而誕生。早在19世紀已有不少科學家在熔鹽電化學領域中取得了輝煌的成就，如Davy從堿金屬氯化物熔體中得到堿金屬，Faraday用鹵化鉛熔體建立了電解定律。至20世紀，熔鹽電化學廣泛應用于能源(如熔融碳酸鹽燃料電池，MoltenCarbonate Fuel Cells,簡稱MCFC)、化學制備和材料制備等方面。20世紀40 50年代，發現了室溫熔鹽。目前采用熔鹽電解法得到的金屬達六十余種，即世界上絕大多數的金屬是由熔鹽電解法生產 的。從理論上說，任何活潑的金屬或元素，都可以采用熔鹽電解法制取。與其他方法相比熔鹽電沉積不需要準備難熔金屬和非金屬粉末，使得制造難熔金屬化合物的工藝變得非常簡單；此方法是原子級別，所以溫度更低；可以選擇更便宜的合成難熔金屬化合物的原材料；能控制合成過程和沉積物形式，從而可以得到不同分散程度的粉末和涂層；熔鹽電解是一種有效回收難熔金屬及其合金的方法；能在復雜構件和大的基材上沉積無孔、致密、連續、塑性的純難熔金屬涂層。碳單質很早就被人認識和利用，碳的一系列化合物一有機物更是生命的根本。常溫下單質碳的化學性質比較穩定，不溶于水、稀酸、稀堿和有機溶劑。在工業上和醫藥上，碳和它的化合物用途極為廣泛。碳有多種同素異構體，因此具有許多特殊的性質，甚至完全相反的性質，如最硬(金剛石)——最軟(石墨)；全吸光(石墨)——全透光(金剛石)；絕緣體(金剛石)一半導體(石墨)一良導體(石墨烯)。其中無定形碳由于具有極大的表面積，被用來吸收毒氣、廢氣。而現在所用的鋰離子電池的負極材料主要也是無定形碳。一般地，制備碳膜的方法大體可以分為物理氣相沉積法和化學氣相沉積法，但是這些方法都需要大型設備，成本較高，并且氣相沉積法在反應過程中會產生有害物質，污染環境，且難以得到純凈的單一的完整剝離基板的碳膜。
發明內容
基于此，有必要提供一種設備簡單、成本低廉、對環境友好且純凈完整的碳膜及其制備方法。—種碳膜的制備方法，包括以下步驟以基板為陰極，石墨為陽極，以Li2COJPK2CO3的共晶鹽為碳源；在惰性氣體保護下升溫至65(T800°C，于40-300mA/cm2恒電流下反應O. 5-2小時，即在基板上得到碳膜；以摩爾百分含量計，所述共晶鹽的組成為Li2C0361-63%、K2C0337-39%。本發明的原理是在碳膜的制備過程中涉及三個過程，即作為碳源的Li2CO3的CO32-首先被還原成CO廣，之后C022_被還原成C，反應方程式如下
C032>2e=C0廣+02- (I)CO 廣+2e=C+202- (2)為了避免在反應過程中發生氧化等副反應，通入惰性氣體進行保護。在其中一個實施例中，所述共晶鹽的組成為Li2C0362%、K2C0338%。在其中一個實施例中，反應條件為在惰性氣體保護下升溫至650°C，于100mA/cm2恒電流下反應I小時。在其中一些實施例中，還包括將沉積有碳膜的基板浸泡在O. 8-1. 2M的H2SO4中，剝離碳膜的步驟。在其中一個實施例中，所述H2SO4的摩爾濃度為1M。在其中一個實施例中，還包括對基板進行表面活化的步驟，所述活化包括先將基板表面用水磨砂紙打磨到600-1000號砂紙，然后經蒸餾水、丙酮清洗及干燥，即得。在其中一些實施例中，所述基板為不銹鋼或鎳。本發明還提供了上述制備方法得到的碳膜。本發明的碳膜，是以Li2CO3和K2CO3的共晶鹽為碳源，采用熔鹽電沉積的方法制備得到的。本發明的發明人從眾多的用于熔融碳酸鹽實驗和碳酸鹽燃料電池的熔鹽中選取碳酸鋰和碳酸鉀的共晶鹽作為制備碳膜的碳源，是因為Li2CO3的活性較高，更容易從熔鹽中分解出碳來，而碳酸鉀的成本又比碳酸鋰低。因此，用兩種混鹽的共晶鹽可以很大程度地降低操作溫度，不僅可以保證所得碳膜的品質，而且還能降低生產成本，是最經濟適合的碳源選擇。本發明的碳膜的制備不需要大型設備和貴重材料，成本低廉，操作簡單；并且過程中不需要危險氣體，也不產生有害物質，對環境友好。制得的碳膜純凈單一并且均勻地分布在基板的表面上，可用于鋰離子電池的負極材料。
圖1為實施例1的碳膜表面形貌圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的闡述。實施例1一種碳膜的制備方法，包括以下步驟(I)采用雙電極體系，即以石墨為輔助電極，304不銹鋼為工作電極。制備碳膜前，不銹鋼表面需用水磨砂紙打磨到600號砂紙，并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥。(2)以62mol%的碳酸鉀和38mol%碳酸鋰為碳源，為了避免在反應過程中發生氧化等副反應，在氬氣保護下升溫至650°C，lOOmA/cm2的恒定電流下反應I小時。最終在不銹鋼的表面形成了碳膜。由圖1可知，碳膜均勻地分布在不銹鋼的表面。(3)將試樣浸泡在IM的H2SO4中lh，得到完整剝離的碳膜。此實施例得到的碳膜最完整，強度也較好。
實施例2一種碳膜的制備方法，包括以下步驟
(1)采用雙電極體系，即以石墨為輔助電極，316不銹鋼為工作電極。制備碳膜前，不銹鋼表面需用水磨砂紙打磨到800號砂紙，并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥。(2)以63mol%的碳酸鉀和37mol%碳酸鋰為碳源，為了避免在反應過程中發生氧化等副反應，在氬氣保護下升溫至800°C，40mA/Cm2的恒定電流下反應2小時。最終在不銹鋼的表面形成了碳膜。碳膜均勻地分布在不銹鋼的表面。(3)將試樣浸泡在0. 8M的H2SO4中30min，得到完整剝離的碳膜。實施例3一種碳膜的制備方法，包括以下步驟(1)采用雙電極體系，即以石墨為輔助電極，鎳板為工作電極。制備碳膜前，鎳板表面需用水磨砂紙打磨到600號砂紙，并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥，。(2)以61mol%的碳酸鉀和39mol%碳酸鋰為碳源，為了避免在反應過程中發生氧化等副反應，在氬氣保護下升溫至650°C，300mA/cm2的恒定電流下反應0. 5小時。最終在不銹鋼的表面形成了碳膜。碳膜均勻地分布在不銹鋼的表面。(3)將試樣浸泡在1. 2M的H2SO4中2h，得到完整剝離的碳膜。實施例4一種碳膜的制備方法，包括以下步驟(1)采用雙電極體系，即以石墨為輔助電極，304不銹鋼為工作電極。制備碳膜前，不銹鋼表面需用水磨砂紙打磨到1000號砂紙，并經蒸餾水、丙酮清洗及干燥。(2)以62mol%的碳酸鉀和38mol%碳酸鋰為碳源，為了避免在反應過程中發生氧化等副反應，在氬氣保護下升溫至800°C，150mA/cm2的恒定電流下反應1小時。最終在不銹鋼的表面形成了碳膜。碳膜均勻地分布在不銹鋼的表面。(3)將試樣浸泡在1M的H2SO4中2h，得到完整剝離的碳膜。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種碳膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 以基板為陰極，石墨為陽極，以Li2CO3和K2CO3的共晶鹽為碳源；在惰性氣體保護下升溫至65(T800°C，于40-300mA/cm2恒電流下反應O. 5-2小時，即在基板上得到碳膜；以摩爾百分含量計，所述共晶鹽的組成為Li2C0361-63%、K2C0337-39%。
2.根據權利要求1所述的碳膜的制備方法，其特征在于，所述共晶鹽的組成為Li2C0362%、K2C0338%。
3.根據權利要求1所述的碳膜的制備方法，其特征在于，反應條件為在惰性氣體保護下升溫至650°C，于100mA/cm2恒電流下反應I小時。
4.根據權利要求1所述的碳膜的制備方法，其特征在于，還包括將沉積有碳膜的基板浸泡在O. 8^1. 2M的H2SO4中，剝離碳膜的步驟。
5.根據權利要求4所述的碳膜的制備方法，其特征在于，所述H2SO4的摩爾濃度為1M。
6.根據權利要求1所述的碳膜的制備方法，其特征在于，還包括對基板進行表面活化的步驟，所述活化包括先將基板表面用水磨砂紙打磨到600-1000號砂紙，然后經蒸餾水、丙酮清洗及干燥，即得。
7.根據權利要求1-6任一項所述的碳膜的制備方法，其特征在于，所述基板為不銹鋼或鎳。
8.根據權利要求1-7任一所述制備方法得到的碳膜。
全文摘要
本發明公開了一種碳膜及其制備方法，以基板為陰極，石墨為陽極，以Li2CO3和K2CO3的共晶鹽為碳源；在惰性氣體保護下升溫至650~800℃，于40-300mA/cm2恒電流下反應0.5-2小時，即在基板上得到碳膜。本發明的碳膜的制備方法是采用熔鹽電沉積的方法進行的，不需要大型設備和貴重材料，成本低廉，操作簡單；并且過程中不需要危險氣體，也不產生有害物質，對環境友好。制得的碳膜純凈單一且均勻地分布在基板的表面上。
文檔編號H01M4/583GK103066290SQ201210575828
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者呂旺燕, 蘇偉, 劉世念 申請人:廣東電網公司電力科學研究院