专利名称：碳膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及表面处理技术，特别是涉及碳膜及其制备方法。
背景技术：
熔盐电化学是研究直流通过熔盐而弓I起的化学变化以及因化学变化而在熔盐中产生电流的一门科学，或者说，熔盐电化学是研究熔盐电解和熔盐电池的一门科学，因此，熔盐电化学因熔盐电解的出现而诞生。早在19世纪已有不少科学家在熔盐电化学领域中取得了辉煌的成就，如Davy从碱金属氯化物熔体中得到碱金属，Faraday用卤化铅熔体建立了电解定律。至20世纪，熔盐电化学广泛应用于能源(如熔融碳酸盐燃料电池，MoltenCarbonate Fuel Cells,简称MCFC)、化学制备和材料制备等方面。20世纪40 50年代，发现了室温熔盐。目前采用熔盐电解法得到的金属达六十余种，即世界上绝大多数的金属是由熔盐电解法生产 的。从理论上说，任何活泼的金属或元素，都可以采用熔盐电解法制取。与其他方法相比熔盐电沉积不需要准备难熔金属和非金属粉末，使得制造难熔金属化合物的工艺变得非常简单；此方法是原子级别，所以温度更低；可以选择更便宜的合成难熔金属化合物的原材料；能控制合成过程和沉积物形式，从而可以得到不同分散程度的粉末和涂层；熔盐电解是一种有效回收难熔金属及其合金的方法；能在复杂构件和大的基材上沉积无孔、致密、连续、塑性的纯难熔金属涂层。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物一有机物更是生命的根本。常温下单质碳的化学性质比较稳定，不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。碳有多种同素异构体，因此具有许多特殊的性质，甚至完全相反的性质，如最硬(金刚石)——最软(石墨)；全吸光(石墨)——全透光(金刚石)；绝缘体(金刚石)一半导体(石墨)一良导体(石墨烯)。其中无定形碳由于具有极大的表面积，被用来吸收毒气、废气。而现在所用的锂离子电池的负极材料主要也是无定形碳。一般地，制备碳膜的方法大体可以分为物理气相沉积法和化学气相沉积法，但是这些方法都需要大型设备，成本较高，并且气相沉积法在反应过程中会产生有害物质，污染环境，且难以得到纯净的单一的完整剥离基板的碳膜。
发明内容
基于此，有必要提供一种设备简单、成本低廉、对环境友好且纯净完整的碳膜及其制备方法。—种碳膜的制备方法，包括以下步骤以基板为阴极，石墨为阳极，以Li2COJPK2CO3的共晶盐为碳源；在惰性气体保护下升温至65(T800°C，于40-300mA/cm2恒电流下反应O. 5-2小时，即在基板上得到碳膜；以摩尔百分含量计，所述共晶盐的组成为Li2C0361-63%、K2C0337-39%。本发明的原理是在碳膜的制备过程中涉及三个过程，即作为碳源的Li2CO3的CO32-首先被还原成CO广，之后C022_被还原成C，反应方程式如下
C032>2e=C0广+02- (I)CO 广+2e=C+202- (2)为了避免在反应过程中发生氧化等副反应，通入惰性气体进行保护。在其中一个实施例中，所述共晶盐的组成为Li2C0362%、K2C0338%。在其中一个实施例中，反应条件为在惰性气体保护下升温至650°C，于100mA/cm2恒电流下反应I小时。在其中一些实施例中，还包括将沉积有碳膜的基板浸泡在O. 8-1. 2M的H2SO4中，剥离碳膜的步骤。在其中一个实施例中，所述H2SO4的摩尔浓度为1M。在其中一个实施例中，还包括对基板进行表面活化的步骤，所述活化包括先将基板表面用水磨砂纸打磨到600-1000号砂纸，然后经蒸馏水、丙酮清洗及干燥，即得。在其中一些实施例中，所述基板为不锈钢或镍。本发明还提供了上述制备方法得到的碳膜。本发明的碳膜，是以Li2CO3和K2CO3的共晶盐为碳源，采用熔盐电沉积的方法制备得到的。本发明的发明人从众多的用于熔融碳酸盐实验和碳酸盐燃料电池的熔盐中选取碳酸锂和碳酸钾的共晶盐作为制备碳膜的碳源，是因为Li2CO3的活性较高，更容易从熔盐中分解出碳来，而碳酸钾的成本又比碳酸锂低。因此，用两种混盐的共晶盐可以很大程度地降低操作温度，不仅可以保证所得碳膜的品质，而且还能降低生产成本，是最经济适合的碳源选择。本发明的碳膜的制备不需要大型设备和贵重材料，成本低廉，操作简单；并且过程中不需要危险气体，也不产生有害物质，对环境友好。制得的碳膜纯净单一并且均匀地分布在基板的表面上，可用于锂离子电池的负极材料。
图1为实施例1的碳膜表面形貌图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的阐述。实施例1一种碳膜的制备方法，包括以下步骤(I)采用双电极体系，即以石墨为辅助电极，304不锈钢为工作电极。制备碳膜前，不锈钢表面需用水磨砂纸打磨到600号砂纸，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥。(2)以62mol%的碳酸钾和38mol%碳酸锂为碳源，为了避免在反应过程中发生氧化等副反应，在氩气保护下升温至650°C，lOOmA/cm2的恒定电流下反应I小时。最终在不锈钢的表面形成了碳膜。由图1可知，碳膜均匀地分布在不锈钢的表面。(3)将试样浸泡在IM的H2SO4中lh，得到完整剥离的碳膜。此实施例得到的碳膜最完整，强度也较好。
实施例2一种碳膜的制备方法，包括以下步骤
(1)采用双电极体系，即以石墨为辅助电极，316不锈钢为工作电极。制备碳膜前，不锈钢表面需用水磨砂纸打磨到800号砂纸，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥。(2)以63mol%的碳酸钾和37mol%碳酸锂为碳源，为了避免在反应过程中发生氧化等副反应，在氩气保护下升温至800°C，40mA/Cm2的恒定电流下反应2小时。最终在不锈钢的表面形成了碳膜。碳膜均匀地分布在不锈钢的表面。(3)将试样浸泡在0. 8M的H2SO4中30min，得到完整剥离的碳膜。实施例3一种碳膜的制备方法，包括以下步骤(1)采用双电极体系，即以石墨为辅助电极，镍板为工作电极。制备碳膜前，镍板表面需用水磨砂纸打磨到600号砂纸，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥，。(2)以61mol%的碳酸钾和39mol%碳酸锂为碳源，为了避免在反应过程中发生氧化等副反应，在氩气保护下升温至650°C，300mA/cm2的恒定电流下反应0. 5小时。最终在不锈钢的表面形成了碳膜。碳膜均匀地分布在不锈钢的表面。(3)将试样浸泡在1. 2M的H2SO4中2h，得到完整剥离的碳膜。实施例4一种碳膜的制备方法，包括以下步骤(1)采用双电极体系，即以石墨为辅助电极，304不锈钢为工作电极。制备碳膜前，不锈钢表面需用水磨砂纸打磨到1000号砂纸，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥。(2)以62mol%的碳酸钾和38mol%碳酸锂为碳源，为了避免在反应过程中发生氧化等副反应，在氩气保护下升温至800°C，150mA/cm2的恒定电流下反应1小时。最终在不锈钢的表面形成了碳膜。碳膜均匀地分布在不锈钢的表面。(3)将试样浸泡在1M的H2SO4中2h，得到完整剥离的碳膜。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种碳膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 以基板为阴极，石墨为阳极，以Li2CO3和K2CO3的共晶盐为碳源；在惰性气体保护下升温至65(T800°C，于40-300mA/cm2恒电流下反应O. 5-2小时，即在基板上得到碳膜；以摩尔百分含量计，所述共晶盐的组成为Li2C0361-63%、K2C0337-39%。
2.根据权利要求1所述的碳膜的制备方法，其特征在于，所述共晶盐的组成为Li2C0362%、K2C0338%。
3.根据权利要求1所述的碳膜的制备方法，其特征在于，反应条件为在惰性气体保护下升温至650°C，于100mA/cm2恒电流下反应I小时。
4.根据权利要求1所述的碳膜的制备方法，其特征在于，还包括将沉积有碳膜的基板浸泡在O. 8^1. 2M的H2SO4中，剥离碳膜的步骤。
5.根据权利要求4所述的碳膜的制备方法，其特征在于，所述H2SO4的摩尔浓度为1M。
6.根据权利要求1所述的碳膜的制备方法，其特征在于，还包括对基板进行表面活化的步骤，所述活化包括先将基板表面用水磨砂纸打磨到600-1000号砂纸，然后经蒸馏水、丙酮清洗及干燥，即得。
7.根据权利要求1-6任一项所述的碳膜的制备方法，其特征在于，所述基板为不锈钢或镍。
8.根据权利要求1-7任一所述制备方法得到的碳膜。
全文摘要
本发明公开了一种碳膜及其制备方法，以基板为阴极，石墨为阳极，以Li2CO3和K2CO3的共晶盐为碳源；在惰性气体保护下升温至650~800℃，于40-300mA/cm2恒电流下反应0.5-2小时，即在基板上得到碳膜。本发明的碳膜的制备方法是采用熔盐电沉积的方法进行的，不需要大型设备和贵重材料，成本低廉，操作简单；并且过程中不需要危险气体，也不产生有害物质，对环境友好。制得的碳膜纯净单一且均匀地分布在基板的表面上。
文档编号H01M4/583GK103066290SQ201210575828
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者吕旺燕, 苏伟, 刘世念 申请人:广东电网公司电力科学研究院