【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属表面涂层制备，具体涉及一种钛材料表面碳包裹氧化物涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
1、氢-水转化系统中，电解水技术和氢燃料电池技术被认为是未来绿色低碳制氢和用氢的重要发展方向。双极板和扩散层是质子交换膜电解水(简称为pemwe)和氢燃料电池(简称为pemfc)设备中的关键部件。pemwe和pemfc设备的运行条件比较恶劣，一般具有酸度高、湿度高和温度高的特点，因此，对双极板和扩散层材料的导电性和耐蚀性提出了较高的要求。钛金属材料由于其耐腐蚀性高、机械强度好、体积比功率高和比能量密度大，因此是一种理想的双极板和扩散层材料。然而，钛金属材料在使用过程中会被氧化，形成一层低导电性钝化膜，从而导致高界面接触电阻，增加欧姆损耗。通常，有效的措施是在钛表面制备纯金属、氮化物、碳化物等高导电性和耐腐蚀性的涂层。碳材料因成本低和优异的导电性、耐蚀性，被广泛应作金属双极板和扩散层表面防护涂层材料。
2、目前主流的涂层制备的技术主要包括物理气相沉积和化学气相沉积两种。但是由于碳材料与金属材料的晶格匹配度和热膨胀系数匹配度都很低，导致碳材料通常与基底金属材料的结合强度较低，长时间使用时会出现涂层脱落现象。传统沉积技术解决材料的结合强度问题时，主要包括两种技术：一是使用异质结构的外延生长技术，利用晶格匹配减少由于晶格常数不匹配引起的晶格畸变和缺陷，提高材料之间的匹配度以提高附着力；二是通过不同材料的热膨胀系数匹配，降低涂层整体的热膨胀差异，以减轻应力和形变，确保结构的稳定性。这些传统沉积技术常常需要通过不同的材料进行逐级
技术实现思路
1、本专利技术目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种钛材料表面碳包裹氧化物涂层及其制备方法和应用，本专利技术在钛材料表面获得了高均匀度、高结合强度、耐腐蚀和高导电性的碳包裹氧化物涂层，得到的碳包裹氧化物涂层用于pemwe和pemfc设备的钛基双极板和扩散层表面，可以有效防止钛金属腐蚀，同时提高涂层的耐久性，并且制备方法简单便捷。
2、本专利技术涂层制备的机理如图1所示，以金属有机骨架材料为碳源，基于同类材质的高匹配性，利用钛材料表面高反应性的缺陷位点，作为有机钛金属骨架中的成核中心，与有机羧酸配体快速反应生成强结合度的ti-o离子键，继而原位生长有机金属骨架材料，然后通过退火形成碳包裹氧化物涂层材料。
3、本专利技术通过以下方案实现。
4、本专利技术第一个目的是提供一种钛材料表面碳包裹氧化物涂层的制备方法，包括以下步骤：
5、采用无机酸溶液处理钛材料，得到富缺陷的钛材料。
6、将有机羧酸配体、无水甲醇和n，n-二甲基甲酰胺混合均匀，加入所述富缺陷钛材料进行吸附，有机羧酸配体与钛材料中缺陷位点生成ti-o离子键。
7、之后在体系中加入金属配体异丙醇钛，在80℃～150℃反应，反应过程中，异丙醇钛和有机羧酸配体在钛材料表面原位成长金属有机骨架材料，形成负载金属有机骨架材料涂层的钛材料。
8、将负载金属有机骨架材料涂层的钛材料进行退火碳化和氧化处理，得到钛材料表面碳包裹氧化物涂层。
9、在本专利技术优选的实施例中，所述有机羧酸配体为对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、2,5-二羟基对苯二甲酸和3,3',5,5'-四羧基二苯基甲烷中的一种。
10、在本专利技术优选的实施例中，有机羧酸配体、无水甲醇和n，n-二甲基甲酰胺的摩尔配比为1：10～20：20～40。
11、在本专利技术优选的实施例中，异丙醇钛和有机羧酸配体的摩尔比为0.5～1：1。
12、在本专利技术优选的实施例中，反应时间为10h～100h。
13、在本专利技术优选的实施例中，退火碳化和氧化处理是在空气气氛的马弗炉中进行，温度为200℃～800℃，保持时间为10min～120min。
14、在本专利技术优选的实施例中，将钛材料浸泡在无机酸溶液中，之后用水冲洗，得到富缺陷的钛材料；温度为70℃～100℃，浸泡时间为1min～30min。
15、在本专利技术优选的实施例中，所述无机酸溶液选自浓度为0.5wt％盐酸、5wt％硫酸、85wt％磷酸、5wt％氢氟酸和5wt％～20wt％的草酸中的一种。
16、在本专利技术优选的实施例中，所述钛材料包括钛的箔、板及制品。
17、本专利技术第二个目的是提供上述制备方法制备的钛材料表面碳包裹氧化物涂层。
18、本专利技术的第三个目的是提供上述钛材料表面碳包裹氧化物涂层在质子交换膜电解水和氢燃料电池设备防护中的应用。
19、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
20、本专利技术首先采用无机酸处理钛材料，得到富缺陷的钛材料；之后将富缺陷钛材料浸泡在含有有机羧酸配体的溶液中，使富缺陷钛材料吸附有机羧酸配体，有机羧酸配体与钛材料中缺陷位点生成ti-o离子键，其中，溶剂为无水甲醇和n，n-二甲基甲酰胺制成，无水甲醇能够稳定有机羧酸配体，并可调控后续金属有机骨架成核与生长之间的平衡，n，n-二甲基甲酰胺在后续加热后分解为二甲胺，能够使得有机羧酸配体脱质子，促进配体溶解，进一步与金属缺陷位点形成配位；之后在体系中加入金属配体异丙醇钛，在80℃～150℃下，异丙醇钛和有机羧酸配体在钛材料表面原位成长金属有机骨架材料，对材料负载金属有机骨架材料涂层的钛材料进行退火碳化和氧化处理，得到钛材料表面碳包裹氧化物涂层。通过上述方法制备的涂层与钛基底材料之间以ti—o共价键的方式紧密结合，避免了碳层与基底金属材料的不匹配导致的涂层脱落和开裂现象，提高了碳层与基底金属材料的结合强度，并且涂层制备方法简单便捷，容易实施。
21、本专利技术制备的碳涂层和金属氧化物使涂层同时具备了高导电性和高耐蚀性。
22、应用本专利技术的方法制备的涂层具有绕镀高、均匀度高和结合强度高的优势。同时成本低、操作简单、重复性高。
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1.一种钛材料表面碳包裹氧化物涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机羧酸配体为对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、2,5-二羟基对苯二甲酸和3,3',5,5'-四羧基二苯基甲烷中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，有机羧酸配体、无水甲醇和N，N-二甲基甲酰胺的摩尔比为1：10～20：20～40。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，金属配体异丙醇钛和有机羧酸配体的摩尔比为0.5～1：1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，反应时间为10h～100h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，退火碳化和氧化处理是在空气气氛的马弗炉中进行，温度为200℃～800℃，保持时间为10min～120min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将钛材料浸泡在无机酸溶液中，之后用水冲洗，得到富缺陷的钛材料；温度为70℃～100℃，浸泡时间为1min～30min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，
9.根据权利要求1～8任一项所述的制备方法制备的钛材料表面碳包裹氧化物涂层。
10.根据权利要求9所述的钛材料表面碳包裹氧化物涂层在质子交换膜电解水或氢燃料电池设备防护中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种钛材料表面碳包裹氧化物涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机羧酸配体为对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、2,5-二羟基对苯二甲酸和3,3',5,5'-四羧基二苯基甲烷中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，有机羧酸配体、无水甲醇和n，n-二甲基甲酰胺的摩尔比为1：10～20：20～40。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，金属配体异丙醇钛和有机羧酸配体的摩尔比为0.5～1：1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，反应时间为10h～100h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，退火碳化和...
【专利技术属性】
技术研发人员：王星，高建平，杨祎璠，王锡奎，张欢，任碧莹，
申请(专利权)人：西部金属材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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