CN111682228A - 一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法 - Google Patents

一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，包括如下步骤：取玉米秸秆中心柔软部位的秸秆物质，然后将秸秆物质进行干燥；将秸秆物质截成长条状，然后置于极性溶剂中形成极性溶液，进行充分搅拌混合；向极性溶液当中加入陶瓷颗粒、氧化碳材料后进行充分搅拌；然后再向极性溶液中加入羰基金属后进行充分搅拌；然后依次进行打浆抄纸、浸渍树脂、碳化，最终得到扩散层。本申请采用的秸秆物质相对于金属来说有较好的惰性，使得在碳化过程中，降低破坏碳骨架的可能性，从而保证碳纸的强度的同时也保证扩散层整体的通透性。

Description

一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法
技术领域
本申请涉及一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学发电装置，它通过电化学反应将化学能直接转化为电能，而非通过热能作为中转介质，因此，燃料电池的能量转化效率非常之高。可以完成燃料电池过程的装置较多，根据电解质的不同，可以分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池及质子交换膜燃料电池等。
对于质子交换膜燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。为了加速反应，一般设置在电极和催化剂之间设置扩散层以促进气体的扩散，但是此种设置使得催化剂和扩散层之间反而产生诸多的不利影响，大大的降低了扩散层和催化剂的可用时间。因此如何对于扩散层功能化，以增加功率密度也成为较为急迫的研究客体。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出了一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，包括如下步骤：取玉米成熟之后的玉米秸秆，去除玉米秸秆的外皮，取玉米秸秆中心柔软部位的秸秆物质，然后将秸秆物质进行干燥；将秸秆物质截成长条状，然后置于极性溶剂中形成极性溶液，进行充分搅拌混合；向极性溶液当中加入陶瓷颗粒、氧化碳材料后进行充分搅拌；然后再向极性溶液中加入羰基金属后进行充分搅拌，将温度升高至第一温度并在第一温度下维持第一时间得到浆料；然后依次进行打浆抄纸、浸渍树脂、碳化，最终得到扩散层。本申请采用的秸秆物质相对于金属来说有较好的惰性，使得在碳化过程中，降低破坏碳骨架的可能性，从而保证碳纸的强度的同时也保证扩散层整体的通透性，而陶瓷颗粒有一定的疏水能力，也有拓展孔道的能力，进一步的保证扩散层的疏通能力，氧化碳材料则是为了增加其与秸秆物质的结合性，有利于形成稳固的碳骨架。
优选的，所述极性溶剂为丙酮。
优选的，所述陶瓷颗粒和氧化碳材料的目数不低于300目。
优选的，所述秸秆物质中的水含量为10-15wt％。
优选的，还包括聚己二醇。本申请在组合物中添加聚己二醇，可以提高各类物质之间的结合程度，促进玉米秸秆、氧化碳材料之间碳骨架的形成，减少后期形成的碳纸的瑕疵，从而保证合成得到的碳纸的质量。
优选的，秸秆物质的质量份数为：30-40份；陶瓷颗粒的质量份数为：1-3份；氧化碳材料的质量份数为：2-5份；聚乙二醇的质量份数为：10-20份；丙酮的质量份数为：150-200份；羰基金属的质量份数为：2-4份。
优选的，所述浸渍树脂时采用聚四氟乙烯树脂。
优选的，所述秸秆物质的长度为200-1000μm。
优选的，所述陶瓷颗粒为SiC颗粒；所述羰基金属为羰基镍。
优选的，所述碳化过程分为两阶段，第一阶段的温度为第二温度，碳化时间为第二时间，第二阶段的温度为第三温度，碳化时间为第三时间；所述第一温度为150-200℃；所述第一时间为60-90min；所述第二温度为300-400℃，所述第二时间为30-60min；所述第三温度为500-550℃，所述第三时间为1-3min。本申请碳化为两阶段碳化，而且两阶段碳化的后一阶段的碳化采用低温快速碳化的方式，的确在一定程度上影响了碳骨架的形成，但是更重要的是这可以防止金属对于金属骨架造成更大的破坏，从而保证得到的扩散层具有一定的催化作用。
本申请能够带来如下有益效果：
1、本申请采用的秸秆物质相对于金属来说有较好的惰性，使得在碳化过程中，降低破坏碳骨架的可能性，从而保证碳纸的强度的同时也保证扩散层整体的通透性，而陶瓷颗粒有一定的疏水能力，也有拓展孔道的能力，进一步的保证扩散层的疏通能力，氧化碳材料则是为了增加其与秸秆物质的结合性，有利于形成稳固的碳骨架；
2、本申请在组合物中添加聚己二醇，可以提高各类物质之间的结合程度，促进玉米秸秆、氧化碳材料之间碳骨架的形成，减少后期形成的碳纸的瑕疵，从而保证合成得到的碳纸的质量；
3、本申请碳化为两阶段碳化，而且两阶段碳化的后一阶段的碳化采用低温快速碳化的方式，的确在一定程度上影响了碳骨架的形成，但是更重要的是这可以防止金属对于金属骨架造成更大的破坏，从而保证得到的扩散层具有一定的催化作用。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本申请进行详细阐述。
首先，按照如下步骤生产扩散层：
S1.准备秸秆物质：取玉米成熟之后的玉米秸秆，去除玉米秸秆的外皮，取玉米秸秆中心柔软部位的秸秆物质，然后将秸秆物质进行干燥，秸秆物质中的水含量控制在10-15wt％；
S2.形成悬浊液形成：将秸秆物质截成长条状，秸秆物质的长度为200-1000μm，然后置于丙酮中形成极性溶液，进行充分搅拌混合；
S3.混入功能性物质：向丙酮溶液当中加入SiC颗粒、氧化碳材料后进行充分搅拌，陶瓷颗粒和氧化碳材料的目数不低于300目，然后加入聚己二醇，搅拌均匀之后，然后再向丙酮溶液中加入羰基镍后进行充分搅拌，将温度升高至第一温度并在第一温度下维持第一时间得到浆料；
各种物质的含量如表1所示。
表1：
Figure BDA0002570969970000041
S4.成型：然后依次进行打浆抄纸、浸渍树脂、碳化，最终得到扩散层，所述浸渍树脂时采用聚四氟乙烯树脂；第一阶段的温度为第二温度，碳化时间为第二时间，第二阶段的温度为第三温度，碳化时间为第三时间，加工条件如表2所示。
表2：
Figure BDA0002570969970000042
S5.检测：测定得到的碳纸的厚度，孔隙率，电阻率；
采用燃料电池测试系统进行测试，采用的催化剂为Pt/C催化剂，配合质子交换膜以及石墨电极，测定得到最大功率密度，具体的测定数据如表3所示。
表3：
序号 碳纸厚度(μm) 孔隙率(％) 电阻率(mΩ.cm) 最大功率密度(mW/cm<sup>2</sup>)
1 205 72 12 1410
2 210 69 13 1230
3 217 73 15 1380
4 211 55 25 1180
5 208 62 27 1240
6 217 42 16 790
7 265 55 31 735
8 214 48 18 1100
9 207 43 28 670
10 197 46 22 890
11 215 72 14 1150
12 211 73 14 1100
由此可见，加入羰基镍大大的提高了其最大功率密度，推测是由于在扩散层对于反应底物进行了一定程度的活化而导致的结构，另外，SiC的存在对于孔隙率的保证至关重要，当然氧化碳黑也有一定的协同增强作用；而对于表征电学性质的电阻率和最大功率密度，则需要SiC，氧化碳材料以及秸秆物质的协同作用，只有在此种情况下才能够获得大的功率密度；另外，对于秸秆物质，采用玉米成熟之后的玉米秸秆中的柔软物质作为底物，相较于其他天然纤维或者人工纤维都有明显的优势。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
取玉米成熟之后的玉米秸秆，去除玉米秸秆的外皮，取玉米秸秆中心柔软部位的秸秆物质，然后将秸秆物质进行干燥；
将秸秆物质截成长条状，然后置于极性溶剂中形成极性溶液，进行充分搅拌混合；
向极性溶液当中加入陶瓷颗粒、氧化碳材料后进行充分搅拌；
然后再向极性溶液中加入羰基金属后进行充分搅拌，将温度升高至第一温度并在第一温度下维持第一时间得到浆料；
然后依次进行打浆抄纸、浸渍树脂、碳化，最终得到扩散层。
2.根据权利要求1所述的一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：所述极性溶剂为丙酮。
3.根据权利要求1所述的一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：所述陶瓷颗粒和氧化碳材料的目数不低于300目。
4.根据权利要求1所述的一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：所述秸秆物质中的水含量为10-15wt％。
5.根据权利要求1所述的一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：还包括聚己二醇。
6.根据权利要求5所述的一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：秸秆物质的质量份数为：30-40份；陶瓷颗粒的质量份数为：1-3份；氧化碳材料的质量份数为：2-5份；聚乙二醇的质量份数为：10-20份；丙酮的质量份数为：150-200份；羰基金属的质量份数为：2-4份。
7.根据权利要求1所述的一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：所述浸渍树脂时采用聚四氟乙烯树脂。
8.根据权利要求1所述的一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：所述秸秆物质的长度为200-1000μm。
9.根据权利要求1所述的一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：所述陶瓷颗粒为SiC颗粒；所述羰基金属为羰基镍。
10.根据权利要求1所述的一种具有促进催化作用的扩散层的制备方法，其特征在于：所述碳化过程分为两阶段，第一阶段的温度为第二温度，碳化时间为第二时间，第二阶段的温度为第三温度，碳化时间为第三时间；所述第一温度为150-200℃；所述第一时间为60-90min；所述第二温度为300-400℃，所述第二时间为30-60min；所述第三温度为500-550℃，所述第三时间为1-3min。
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