一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂及制备方法技术

本发明专利技术涉及燃料电池领域，公开了一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂及制备方法。包括如下制备过程：（1）将石墨烯微片、粘结剂、絮凝剂超声分散于含有有机纤维的溶剂中，得到石墨烯分散液；（2）将石墨烯分散液在高温和催化剂作用下喷射转变为碳纤维，即得石墨烯/碳纤维复合催化剂。本发明专利技术制备的的石墨烯/碳纤维具有优异的催化性能，制备工序连续简单，原料廉价易得，产量高，适宜于大规模工业化生产。

A Graphene/Carbon Fiber Composite Catalyst for Fuel Cell and Its Preparation Method

The invention relates to the field of fuel cells, and discloses a graphene/carbon fiber composite catalyst for fuel cells and a preparation method thereof. It includes the following preparation processes: (1) Graphene microchip, binder and flocculant were dispersed in solvent containing organic fibers by ultrasonic wave to obtain graphene dispersion solution; (2) Graphene dispersion solution was sprayed into carbon fibers under high temperature and catalyst, and graphene/carbon fiber composite catalyst was obtained. The graphene/carbon fiber prepared by the invention has excellent catalytic performance, continuous and simple preparation process, cheap and easily available raw materials and high output, and is suitable for large-scale industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂及制备方法
本专利技术涉及燃料电池领域，公开了一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂及制备方法。
技术介绍
燃料电池是以电化学反应的方式把燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。与传统的发电方式相比，燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，而且无污染、噪音低，是２１世纪全新的高效、环境友好的发电方式，被认为是即将到来的氢能时代的主要技术。其中，质子交换膜燃料电池以离子交换膜为电解质，以Pt/C为氧化剂，氢气或重整气为燃料空气或氧气为氧化剂，工作温度一般在60~100℃的一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置，是一种高效节能安全可靠的新型环保电池。适用于交通电站可移动电源及潜艇等多种用途，具有广阔的市场前景，已引起越来越多的国家和企业的重视，都纷纷斥巨资于这一项目，目前已接近于商业化应用。迄今为止，质子交换膜燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以铂为主。由于铂的价格昂贵，资源匮乏，造成PEM-FC成本很高，大大限制了其广泛的应用。这样，降低贵金属催化剂用量，寻求廉价催化剂，提高电极催化剂性能成为电极催化剂研究的主要目标。对于阴极催化剂，研究重点一方面是改进电极结构，提高催化剂的利用率，另一方面是寻求高效廉价的可替代贵金属的催化剂。阳极催化剂则主要是研究具有抗CO中毒能力的催化剂。另外，对于直接使用甲醇或其他烃类燃料的电池系统，研究重点也主要是阳极催化剂体系。中国专利技术专利申请号201310500935.1公开了一种碳纤维负载金属催化剂及其制备方法和应用，采用石墨烯纳米带，多臂碳纳米管，石墨烯等材料为石墨化模板基添加剂，通过静电纺丝，湿法纺丝方法，以及高温碳化方法，得到高石墨化程度，高导电率的复合碳纤维，其模板基添加剂优选量为0.5~5wt%，并以此高石墨化复合碳纤维作为催化剂的载体，还原得到一种燃料电池用金属/碳纳米纤维催化剂，该催化剂初始电化学活性表面积高，抗CO毒性强，在30分钟的计时电流法测试中电流密度衰减较小，表现出更高的电化学活性，更高的电流密度和更优越的电化学稳定性，另外该高石墨化碳纤维为载体的催化剂表现出极高的耐久性。中国专利技术专利申请号201510535291.9公开了一种燃料电池用石墨烯-铁氮共掺杂多孔碳复合催化剂及其方法。所述方法为（1）将2-氟苯胺、三价铁盐以及氧化石墨烯加入去离子水中，搅拌，超声分散，得到分散液；（2）将步骤（1）的分散液转移至水热反应釜中进行水热反应，冷却，过滤，清洗，干燥，得到聚2-氟苯胺-石墨烯片状物；（3）将步骤（2）中的聚2-氟苯胺-石墨烯片状物置于石英管式炉中，通入氮气，升温至700~900℃，保温反应，降温，得到铁氮共掺杂多孔碳催化剂。所述复合催化剂比表面积大、催化性能好、抗甲醇毒化能力强、耐久性好，稳定性高，可应用于燃料电池领域。根据上述，现有方案中用于燃料电池的相对成熟的贵金属催化剂价格高、用量大，与碳基底复合工艺复杂，而非贵金属催化剂的催化性能不理想，严重限制了催化剂在燃料电池中的应用，本专利技术提出了一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂及制备方法，可有效解决上述技术问题。
技术实现思路
目前应用较广的用于燃料电池的相对成熟的贵金属催化剂价格高、用量大，与碳基底复合工艺复杂，而非贵金属催化剂的催化性能不理想。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂的制备方法，制备的具体过程为：（1）将石墨烯微片分散于含有有机纤维的溶剂中，加入粘结剂、絮凝剂，充分搅拌并超声分散，制得石墨烯分散液；（2）将步骤（1）制得的石墨烯分散液预热，通过高压喷嘴形成雾状，喷射至惰性气体保护的等离子体火焰中，同时使用第二喷嘴向反应腔体喷入催化剂，使有机纤维在高温和催化剂作用下转变为碳纤维，并在底部使用基底材料收集获得的石墨烯/碳纤维复合催化剂。优选的，步骤（1）所述有机纤维为聚丙烯腈类有机纤维、黏胶类有机纤维、沥青类有机纤维、木质素类有机纤维中的至少一种；优选的，步骤（1）所述溶剂为乙醇。优选的，步骤（1）所述粘结剂为呋喃树脂、酚醛树脂、脲醛树脂中的至少一种；所述絮凝剂为硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁中的至少一种。优选的，步骤（1）所述石墨烯分散液中，石墨烯微片12~15重量份、有机纤维22~25重量份、溶剂53~63重量份、粘结剂2~4重量份、絮凝剂1~3重量份。优选的，步骤（2）所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氙气中的一种。优选的，步骤（2）所述等离子体火焰为自上而下垂直喷入，火焰温度为2200~2500℃。优选的，步骤（2）所述反应腔体为圆柱形，三柱保护气平均分布在腔体侧面，石墨烯分散液和催化剂分别从反应腔体侧面喷入，喷气嘴与圆心夹角为45~60°。所述催化剂为镍铜合金粉，用量为石墨烯分散液质量的0.1%。由上述方法制备得到的一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂，石墨烯微片通过搅拌超声，并在助剂作用下附着在有机纤维表面，通过将溶剂喷射至等离子火焰中，溶剂及助剂蒸发使微球内部急剧收缩，同时有机纤维在高温和催化剂作用下转变为碳纤维。三柱保护气在腔体内部形成气旋，使雾化溶剂在气旋作用下集中在火焰中心，使雾化溶剂可以充分反应。本专利技术提供了一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、提出了通过将溶剂喷射至等离子火焰制备燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂的方法。2、通过将有机纤维在高温和催化剂作用下转变为碳纤维，并堆积在基底材料表面，制备的石墨烯/碳纤维具有优异的催化性能。3、本专利技术的催化剂直接负载于碳纸上，简化了复合工序，制备工序连续简单，原料廉价易得，产量高，适宜于大规模工业化生产。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但不应将此理解为本专利技术的范围仅限于以下的实例。在不脱离本专利技术上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本专利技术的范围内。实施例1（1）将石墨烯微片分散于含有有机纤维的溶剂中，加入粘结剂、絮凝剂，充分搅拌并超声分散，制得石墨烯分散液；有机纤维为聚丙烯腈类有机纤维；溶剂为乙醇；粘结剂为呋喃树脂；絮凝剂为硫酸铝；石墨烯分散液中，石墨烯微片13重量份、有机纤维23重量份、溶剂59重量份、粘结剂3重量份、絮凝剂2重量份；（2）将步骤（1）制得的石墨烯分散液预热，通过高压喷嘴形成雾状，喷射至惰性气体保护的等离子体火焰中，同时使用第二喷嘴向反应腔体喷入催化剂，使有机纤维在高温和催化剂作用下转变为碳纤维，惰性气体为氦气；等离子体火焰为自上而下垂直喷入，火焰温度为2300℃；反应腔体为圆柱形，三柱保护气平均分布在腔体侧面，石墨烯分散液和催化剂分别从反应腔体侧面喷入，喷气嘴与圆心夹角为49°；所述催化剂为镍铜合金粉，用量为石墨烯分散液质量的0.1%。实施例2（1）将石墨烯微片分散于含有有机纤维的溶剂中，加入粘结剂、絮凝剂，充分搅拌并超声分散，制得石墨烯分散液；有机纤维为黏胶类聚乙烯醇有机纤维；溶剂为乙醇；粘结剂为酚醛树脂；絮凝剂为氯化铝；石墨烯分散液中，石墨烯微片12重量份、有机纤维22重量份、溶剂63重量份、粘结剂2重量份、絮凝剂1重量份；（2）将步骤（1）制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂的制备方法，其特征在于，制备的具体过程为：（1）将石墨烯微片分散于含有有机纤维的溶剂中，加入粘结剂、絮凝剂，充分搅拌并超声分散，制得石墨烯分散液；（2）将步骤（1）制得的石墨烯分散液预热，通过高压喷嘴形成雾状，喷射至惰性气体保护的等离子体火焰中，同时使用第二喷嘴向反应腔体喷入催化剂，使有机纤维在高温和催化剂作用下转变为碳纤维，并在底部使用基底材料收集获得的石墨烯/碳纤维复合催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂的制备方法，其特征在于，制备的具体过程为：（1）将石墨烯微片分散于含有有机纤维的溶剂中，加入粘结剂、絮凝剂，充分搅拌并超声分散，制得石墨烯分散液；（2）将步骤（1）制得的石墨烯分散液预热，通过高压喷嘴形成雾状，喷射至惰性气体保护的等离子体火焰中，同时使用第二喷嘴向反应腔体喷入催化剂，使有机纤维在高温和催化剂作用下转变为碳纤维，并在底部使用基底材料收集获得的石墨烯/碳纤维复合催化剂。2.根据权利要求1所述一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述有机纤维为聚丙烯腈类有机纤维、黏胶类有机纤维、沥青类有机纤维、木质素类有机纤维中的至少一种。3.根据权利要求1所述一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述溶剂为乙醇。4.根据权利要求1所述一种燃料电池的石墨烯/碳纤维复合催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述粘结剂为呋喃树脂、酚醛树脂、脲醛树脂中的至少一种；所述絮凝剂为硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁中的至少一种。5.根据权利要求1所述一种燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51