一种碳纤维与石墨烯复合的高强度多孔材料和气体扩散层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种碳纤维与石墨烯复合的高强度多孔材料和气体扩散层及其制备方法，该碳材料集合了碳纤维和石墨烯的各自结构与特性优势于一身，取长补短，具有机械强度高(碳纤维不切断)、多级孔梯度分布、透气好、导电性好、导热性好、轻质和稳定性高等特点。该制备方法包括石墨烯的制备、碳纤维束液膜展单丝、石墨烯吸附定丝、石墨烯涂层和高温处理等工艺步骤。该碳基气体扩散层在制备过程中不切断碳纤维，保持碳纤维丝的强度，适合卷对卷的批量化制备，适合于燃料电池、金属

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维与石墨烯复合的高强度多孔材料和气体扩散层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种碳纤维与石墨烯复合的高强度多孔材料和气体扩散层及其制备方法，属于无机非金属材料领域和燃料电池领域。

技术介绍

[0002]在能源与环境领域中，气体扩散层(gas diffusion layer,简称GDL)发挥着重要作用。电解水制取氢气(称为绿氢)，实现低碳洁净能源，需要气体扩散层。燃料电池，阴极氧气的电还原成水也是需要GDL。二氧化碳CO2的电催化转化利用，也需要GDL。催化剂需要特效性、精准性和特定反应应用的狭隘性。但是GDL是具有普适性的支撑催化剂，实现电子和化学反应的前沿阵地，是共性关键材料。
[0003]燃料电池配套的关键材料及其关键技术，是氢能利用及其经济发展中的基础。燃料电池在汽车、卡车、叉车、轮船、潜艇和军用电源等领域中的市场在迅速增大。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》中预计，2050年氢能和燃料电池产值会超过10万亿元。中国2020 年9月发布了燃料电池汽车示范的通知，出政策大力推进燃料电池及其相关新能源汽车产业。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维与石墨烯组合形成的气体扩散层，其特征在于，其包括碳纤维单丝与石墨烯复合形成的多孔透气的导电碳材料层，孔隙率≥70％；所述导电碳材料层包括支撑层和在支撑层上的微孔层。2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述的支撑层包括碳纤维单丝与大石墨烯复合形成的多孔材料层，其中大石墨烯为1
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5个石墨烯原子层，单微片石墨烯的面积大于50平方微米。3.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，所述的碳纤维单丝直径为5
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7微米，长度大于10厘米。4.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述微孔层是石墨烯层，由包括大石墨烯、小石墨烯和带空洞的石墨烯的原料形成；其中大石墨烯为1
‑
5个石墨烯原子层，单微片石墨烯的面积大于50平方微米；小石墨烯为1
‑
9个石墨烯原子层，其单片的长和宽都小于1微米；带空洞的石墨烯为单片石墨烯的面上有1
‑
300纳米大小的空洞。5.一种碳纤维与石墨烯复合的气体扩散层的多孔支撑层，其特征在于，石墨烯吸附锚定碳纤维丝，丝与丝的交叉点覆盖石墨烯，形成多孔框架结构；支撑层拉伸强度≥100Mpa，孔隙率≥70％，能卷对卷地收放和成卷搬运；优选地，所述的石墨烯为大石墨烯，所述大石墨烯为1
‑
5个石墨烯原子层，单微片石墨烯的面积大于50平方微米。6.一种石墨烯与碳纤维丝复合的导热导电的碳材料，其特征在于，其包括碳纤维丝与石墨烯复合形成的多孔材料层，所述碳材料平行导热系数≥100W/(m
·
K)，拉伸强度≥120Mpa。7.一种碳纤维丝与石墨烯组合的多孔导热的薄碳层单丝层，其特征在于，其包括碳纤维单丝与石墨烯复合形成的多孔材料层，所述多孔材料层厚度≤20微米，孔隙率≥70％，拉伸强度≥200Mpa，平行导热系数≥20W/(m
·
K)。8.一种碳纤维丝与石墨烯复合的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层具有层状网络透气结构，孔径梯度分布，孔径由毫米级到微米级到纳米级的层状梯度分布，毫米级与微米级孔由碳纤维丝与石墨烯复合而成，而纳米级孔由石墨烯构成，碳纤维丝与丝的间距和密度呈层状梯度分布，每层碳纤维单丝的面密度由每平方厘米20根单丝到500根单丝，层与层之间面密度从高到低单向排列。9.根据权利要求1
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4任一项所述的气体扩散层或权利要求5所述的支撑层，其特征在于，液体与碳纤维丝的界面作用力，驱动碳纤维束分丝展丝，形成丝与丝网络结构结合层，其面积相对于碳纤维丝束扩大20倍以上。10.一种纤维丝束分丝的方法，其特征在于，通过液膜的延展来把束分成单丝，形成浸润单丝的液膜(简称丝
‑
液膜)，丝与丝组成网络并液膜润湿覆盖，丝
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液膜的面积相对于原丝束的面积扩大到10倍以上。11.根据权利要求2或4所述的气体扩散层或权利要求5所述的支撑层，其特征在于，所述的大石墨烯具有晶体特征，碳元素的含量≥88wt％，具有含氧的化学官能团和含碳氧氢的固态电解质界面，能分散于水、醇和二甲基甲酰胺DMF中形成浆料，浆料能喷涂能涂布成膜和涂层，干燥后能自吸成膜，石墨烯膜厚度1
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5微米时，拉伸强度≥30MPa。12.一种大石墨烯的制备方法，所述大石墨烯为权利要求2
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4中任一项所述的气体扩散层中的大石墨烯，其特征在于，包括如下步骤：(一)以石墨纸为电极，或者由蠕虫石墨制备
的石墨膜为电极，单电极厚度为0.5
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2mm；石墨纸或石墨膜切成梳子形条，条宽度为1
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3cm；(二)使用电解液通电驱动石墨膨胀；(三)电解条件为直流电源电压充电3
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8V，温度为0到40℃；软件程序控制电流方向正电流、静置、反向电流，静置、交替进行；(四)电解后压滤，回收电解液供电解石墨纸/膜循环使用；然后用碱性水溶液(氢氧化钠/锂水溶液，氢氧根离子的浓度为5
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30wt％)浸泡和搅拌，再通过过滤搅拌洗涤，水洗到pH 8
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10之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊中，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：