如何提高碳布的电解液润湿性？解锁卓越的电化学性能

为了直接提高碳布的电解液润湿性，您可以进行化学预处理。最常见和有效的方法是将材料在60-80°C的温度下浸泡在氧化酸（如硝酸，HNO₃）中1到2小时。这个过程从根本上改变了碳纤维的表面化学性质，使其更容易被水性电解液接受。

碳布的核心挑战在于其固有的非极性、疏水性表面，这会排斥极性电解液。解决方案不仅仅是清洁表面，而是通过引入极性的含氧官能团来化学工程化表面，以吸引电解液。

核心问题：碳布的疏水性

未经处理的碳布主要由石墨碳组成。其表面是非极性的，缺乏与极性分子（如大多数水性电解液中的水）结合的化学亲和力。

这种被称为疏水性的特性会导致电解液在表面成珠，而不是渗入碳布复杂的纤维结构中。

这种不良的润湿性对任何电化学器件都有严重后果。它会在电极和电解液之间产生高界面电阻，阻碍离子的流动。

此外，电极很大一部分潜在的表面积仍未被利用，这极大地降低了器件的整体效率、功率密度和容量。

提高润湿性最可靠的方法是使用氧化酸进行表面官能化。强酸，特别是硝酸（HNO₃），在高温下与碳表面发生反应。

该反应在微观层面上蚀刻表面，更重要的是，引入了极性的、含氧官能团，如羧基（-COOH）和羟基（-OH）基团。这些基团是亲水性的（亲水的），并充当极性电解液的锚定位点。

虽然提到了两种酸，但它们的作用略有不同。硝酸是一种强氧化剂，在产生所需的氧官能团方面要有效得多。

盐酸（HCl）不是氧化剂。它的主要作用是清洁表面的杂质，尽管它可能会引起一些轻微的变化。为了提高润湿性，硝酸是更优的选择。

另一种方法是用一层薄薄的导电聚合物（如NAFION）涂覆碳纤维。

NAFION含有磺酸（-SO₃H）基团，这些基团具有极强的亲水性。可以使用0.5%的NAFION溶液来涂覆纤维，形成一个新的、高度润湿的表面，该表面很容易吸收电解液。

NAFION涂层的优势不仅限于简单的润湿性。作为一种离子聚合物，NAFION积极促进离子（特别是质子）通过电极结构传输。

这为离子创造了一条高度导电的路径，进一步降低了内阻，提高了器件的整体性能，这在燃料电池和某些液流电池中尤为关键。

尽管酸处理有效，但它是一个破坏性过程。如果条件过于苛刻——无论是通过使用过高的浓度、温度还是持续时间——它都可能削弱碳纤维。

这可能导致机械完整性降低和导电性丧失，从而对电极的长期稳定性产生负面影响。精确控制至关重要。

酸处理后，用去离子水彻底冲洗碳布是绝对必要的。必须一直冲洗，直到洗涤水的pH值呈中性。

未能清除所有残留的酸会污染您的电解液，导致副反应、腐蚀和电化学电池的快速降解。

选择正确的方法取决于您的具体目标和您正在构建的系统。

最终，掌握电极的表面化学是释放您的电化学器件全部性能潜力的关键。

方法	关键工艺	主要益处	最适合
酸处理	浸泡于HNO₃ (60-80°C, 1-2小时)	通过表面官能化实现永久亲水性	稳健、经济高效的润湿性提升
聚合物涂层	应用一层薄薄的0.5% NAFION	增强的润湿性和质子传导性	在基于质子的系统中最大化离子传输