一种自支撑催化层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及新能源电池技术领域，公开了一种自支撑碳材料及其制备方法和应用。该自支撑碳材料包括按照重量百分比计算的聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化纤维90

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑催化层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及新能源电池
，更具体地，涉及一种自支撑催化层的制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池具有转换效率高、排放无污染的优点，将成为未来能源应用的发展方向之一。为了实现燃料电池更高的输出功率和更好的耐久性，对电极结构的优化至关重要。燃料电池催化层是氢氧发生电化学反应的核心区域，涉及复杂的气、电、热、水、力等的传输，任何过程出现短板，均会限制催化层发挥最大功效。一方面，催化层内需要更多反应物到达催化剂表面参与电化学反应，另一方面，生成的大量产物水会导致孔道堵塞，造成催化层水淹，使得反应气体的传输通道受阻。因此，合理设计电极结构，改善传质，提高Pt的利用率是燃料电池获得更好性能的关键。
[0003]传统的催化层制备方法形成的孔道不足以满足高电流密度下的高输出功率要求，且Pt催化剂的分散效果较差造成资源浪费。将自支撑性活性碳纸作为Pt催化剂的基底可以改善Pt的分散效果提高Pt的利用率并可以降低反应物到催化剂的阻力，丰富的孔道结构可以减少水淹效应的发生。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种燃料电池自支撑催化层及其制备方法，通过综合改进材料的组分、配比、制备方法及微观结构，以解决与现有技术相关的上述问题。
[0005]本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种自支撑碳材料，包括按照重量百分比计算的聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化纤维90
‑
100％，碳纤维0
‑
10％，比表面积为100
‑
1200g/m2，定量为30
‑
50g/m2，厚度为40
‑
120μm。
[0007]本专利技术提供的自支撑碳材料具有柔性，利用对位聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化纤维(PBO原纤化纤维)的一部分物质高温分解脱除后，在纤维上面留下了丰富的孔洞，使材料具有三维多孔网络结构，这些孔洞和纤维之间的间隙形成的多孔结构可以负载更多的催化剂，有利于物质传输，而且PBO原纤化纤维具有高含量的N原子，在经过碳化后，有一部分N会掺杂在碳骨架中，这部分N分为吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等。吡啶氮以及石墨氮会使碳骨架中产生极化、改变相邻C原子周围的电子云密度，导致C原子带正电。带正电的C原子可以改变O2的吸附方式，更利于电催化反应中O＝O键的断裂。带正电荷的C和相邻的N能够形成高效的催化活性位点，有利于提升碳基材料对ORR的催化活性，从而降低Pt基催化剂的使用。其三维多孔网络结构可以作为催化剂分散的有效载体，防止催化剂的团簇，提高Pt的利用率。
[0008]优选地，包括按照重量百分比计算的聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化纤维90
‑
100％，碳纤维0
‑
10％；所述定量为30
‑
50g/m2，厚度为80
‑
120μm。
[0009]前述柔性的自支撑碳材料的制备方法，包括如下步骤：
[0010]S1.将纤维原料按照比例混合并疏解后，加水稀释至上网浓度0.01wt％
‑
0.05wt％，得到浆料；
[0011]S2.将步骤S1的浆料进行抄造成形，得到湿纸幅；
[0012]S3.将步骤S2的湿纸幅进行干燥处理，温度为100
‑
160℃，时间为5
‑
15分钟，得到干纸幅；
[0013]S4.将干纸幅经过碳化后制得自支撑碳材料；
[0014]S5.将步骤S4的自支撑碳材料经过高温石墨化得到自支撑碳纸；
[0015]S6.将步骤S5的自支撑碳纸上涂覆Pt/C制得自支撑催化层。
[0016]优选地，步骤S1所述聚对苯撑苯并二噁唑原纤化纤维的直径为100
‑
1500nm。
[0017]所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化纤维(PBO原纤化纤维)的制备方法为：聚对苯撑苯并二噁唑短切纤维通过机械外力，在槽式打浆机中打浆，使PBO短切纤维在水中充分润涨后，调节槽式打浆机的刀间距来控制打浆力度，先破坏皮层，再进行切短或压溃，再将细小纤维从主干纤维上劈裂下来，形成具有微纳米结构的PBO原纤化纤维。PBO短纤维经过原纤化处理后，能够在制备柔性自支撑碳材料时保持一定的长度和强度，不被压溃，PBO短纤维原纤化后具有丰富的微纳米结构，能够高效灵活调节基材的孔径和强度。
[0018]优选地，步骤S1所述聚对苯撑苯并二噁唑原纤化纤维加水稀释后的打浆度为29
‑
35
°
SR。通过调整打浆度、上网浓度，以保证纤维的均匀分散和成形，并能保证柔性材料结构和匀度的控制，使纤维均匀分布并紧密结合。
[0019]优选地，步骤S2所述抄造成形在凯塞成形器中进行。
[0020]优选地，步骤S3所述干燥处理在平板干燥器中进行。
[0021]优选地，步骤S4所述碳化为直接碳化或者使用CO2活化碳化。
[0022]优选地，步骤S4所述直接碳化分三步进行，第一步，在保护气体中升温至400
‑
600℃，升温速率为7
‑
10℃/min；第二步，继续通保护气体，保温1
‑
2h；第三步，继续通保护气体，按照升温速率为6
‑
8℃/分钟，升温至700
‑
900℃，并保温90
‑
150min，然后冷却至室温，得到柔性自支撑碳材料。
[0023]优选地，步骤S4所述使用CO2活化碳化分三步进行，第一步，在保护气体中升温至400
‑
600℃，升温速率为7
‑
10℃/min；第二步，通CO2，保温1
‑
2h；第三步，继续通CO2，按照升温速率为6
‑
8℃/分钟升温至700
‑
900℃，并保温90
‑
150min，后切换回保护气体，然后冷却至室温，得到柔性自支撑碳材料。
[0024]优选地，步骤S5所述高温石墨化分两步进行，第一步，将炉子中通入保护气体，将其中空气排干净；第二步，在保护气体中升温至1800
‑
2400℃，升温速率为8
‑
10℃/min；并保温60
‑
120min，然后冷却至室温，得到自支撑碳材料。
[0025]优选地，所述保护气体为氮气。
[0026]优选地，在抄造前，还包括浆料的整流，使浆料呈现高强微湍的流动状态。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0028]本专利技术提供的柔性自支撑材料利用聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化纤维的一部分物质高温分解脱除后，在纤维上面留下了丰富的孔洞，使材料具有三维多孔网络结构和较高的比表面积，更好地将催化剂分散在碳纸上，提高Pt/C催化剂的利用率。其多级孔结构，在气体扩散以及催化剂的分散方面具有显著的优势，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自支撑碳材料，其特征在于，包括按照重量百分比计算的聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化纤维90
‑
100％，碳纤维0
‑
10％，比表面积为100
‑
1200g/m2，定量为30
‑
50g/m2，厚度为40
‑
120μm。2.根据权利要求1所述自支撑碳材料，其特征在于，所述定量为30
‑
50g/m2，厚度为80
‑
120μm。3.权利要求1
‑
2任一项所述自支撑碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将纤维原料疏解后，加水稀释至上网浓度0.01wt％
‑
0.05wt％，得到浆料；S2.将步骤S1的浆料进行抄造成形，得到湿纸幅；S3.将步骤S2的湿纸幅进行干燥处理，温度为100
‑
160℃，时间为5
‑
15分钟，得到干纸幅；S4.将干纸幅经过碳化后制得自支撑碳材料；S5.将步骤S4的自支撑碳材料经过高温石墨化得到自支撑碳纸；S6.将步骤S5的自支撑碳纸上涂覆Pt/C制得自支撑催化层。4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述纤维原料包括聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化纤维，所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维原纤化纤维的直径为100
‑
1500nm。5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤S4所述碳化为直接碳化或者使用CO2活化碳化。6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，步骤S4所述直接碳化分三步进行，第一步，在保护气体中升温至400
‑
600℃，升温速率为7
‑
10℃/min；...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙玲，李海龙，胡健，叶思宇，孙广航，宋辰颖，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：