一种高导电性碳纤维纸及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种高导电性碳纤维纸及其制备方法，使用表面处理剂对短切碳纤维进行预处理，将预处理后的短切碳纤维成型得到碳纤维原纸；将碳纤维原纸在包含可溶性过渡金属盐的第一浸渍液中进行完全浸渍，再加入2

【技术实现步骤摘要】
一种高导电性碳纤维纸及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体属于一种高导电性碳纤维纸及其制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种电化学的发电装置，与传统电池不同，其等温地按电化学方式直接将化学能转变为电能，而不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高；同时其凭借环境友好的优点被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。其中，质子交换膜燃料电池以其无噪音、零污染、无腐蚀、功率密度高、转换效率高、低温启动、体积小等诸多优点，被认为是最有希望成为航天、军事、电动车和区域性电站的首选电源。
[0003]碳纤维纸是质子交换膜燃料电池核心部件——扩散层电极的基体部分，在燃料电池运行中主要是承担支撑和传质作用，同时确保由反应生成的水的有效排出与气体的扩散路径。即，由碳纤维和经碳化的树脂粘合剂构成的平面结构体需要极高的导电性、力学强度、气体透过性和排水性。但是，现在的碳纤维纸仍存在着导电性差的问题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种高导电性碳纤维纸及其制备方法，通过在碳纤维原纸表面构筑有机金属框架化合物，并通过二次浸渍吸附包含贵金属的无机盐，碳化后在碳纤维纸表面形成金属纳米单质颗粒均匀分布的多孔碳基底，有效提高了碳纤维纸的导电性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高导电性碳纤维纸，所述高导电性碳纤维纸为三维网络结构，具体由改性碳纤维与树脂碳粘结形成，所述改性碳纤维表面具有多孔碳基底，所述多孔碳基底表面负载有贵金属单质，内部嵌有石墨化碳包覆的过渡金属单质。
[0006]进一步的，所述多孔碳基底占所述高导电性碳纤维纸的质量百分比为0.6％～2.59％，所述贵金属单质占所述高导电性碳纤维纸的质量百分比为0.6％～3.45％，所述树脂碳占所述高导电性碳纤维纸的质量百分比为17％～45％；
[0007]所述树脂碳通过聚合物胶热处理得到。
[0008]本专利技术提供一种高导电性碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1，使用表面处理剂对短切碳纤维进行预处理，并将预处理后的短切碳纤维成型，得到碳纤维原纸；
[0010]S2，将碳纤维原纸在包含可溶性过渡金属盐的第一浸渍液中进行完全浸渍，再加入2
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甲基咪唑溶液，反应后干燥、得到第一中间体；
[0011]S3，将第一中间体浸渍在包含贵金属的无机盐的第二浸渍液中，或将包含贵金属的无机盐的第二浸渍液喷洒在第一中间体上，干燥得到第二中间体；
[0012]S4，对第二中间体进行热压、碳化处理得到高导电性碳纤维纸。
[0013]进一步的，所述S2中，所述第一浸渍液包括第一聚合物胶、可溶性过渡金属盐和第
二溶剂，所述S1中短切碳纤维与可溶性过渡金属盐的用量比为(0.9～1.1)g：(0.25～1)mmol；第一聚合物胶、2
‑
甲基咪唑、可溶性过渡金属盐和第二溶剂的用量比为(4.2～10.8)g：(7.4～59.2)mmol：(0.8～2.9)mmol：(70～90)g。
[0014]进一步的，所述S2中，第一聚合物胶包括聚丙烯腈、环氧树脂、醇溶性酚醛树脂或高残碳树脂中的至少一种；可溶性过渡金属盐包括可溶性钴盐和可溶性锌盐，可溶性钴盐与可溶性锌盐的摩尔比为6:0～0:6；第二溶剂为甲醇或乙醇。
[0015]具体实施中，可溶性过渡金属盐不限定于可溶性钴盐和/或锌盐，还可以是铁盐。
[0016]进一步的，S2中，将碳纤维原纸在第一浸渍液中完全浸渍3min～30min后，再逐滴加入2
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甲基咪唑溶液，反应3min～15min得到第一中间体。
[0017]进一步的，S3中，第二浸渍液包括第二聚合物胶和贵金属的无机盐，其中，第二聚合物胶的水溶液的浓度为6wt％～10wt％，贵金属的无机盐的摩尔浓度为5mmol/L～50mmol/L；所述第二聚合物胶包括水溶性酚醛树脂、水溶性聚乙烯吡咯烷酮或水溶性高残碳树脂中至少一种；所述贵金属的无机盐包括硝酸银、氯铂酸钠、氯铂酸铵、氯钯酸钠中至少一种。
[0018]进一步的，S1中短切碳纤维与S3中包含贵金属的无机盐的用量比为(0.9～1.1)g：(0.125～1)mmol。
[0019]进一步的，S4中，所述热压为先在0.25MPa～4MPa压强下于130℃下热压30min～40min，再在0.25MPa～4MPa压强下于170℃热压30min～40min；所述碳化处理为：在惰性气氛中，以5℃/min～10℃/min的升温速率升温至1400℃～1700℃，保温1h～3h。
[0020]进一步的，S1中，碳纤维原纸的制备步骤具体如下：
[0021]S1.1对直径为5μm～8μm，长度为1mm～10mm的短切碳纤维进行预分散；
[0022]S1.2采用表面处理剂对S1.1处理后的短切碳纤维进行预处理，同时加入粘结剂和第一溶剂混合得到浆料，其中短切碳纤维、表面处理剂、粘结剂和第一溶剂的质量比为(9～11)：(5～15)：(10～18)：(20000～30000)；
[0023]S1.3将浆料通过湿法成型工艺成型，然后烘干得到碳纤维原纸；
[0024]其中，所述表面处理剂为聚苯乙烯磺酸钠；所述粘结剂为聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚环氧乙烷中的至少一种，所述第一溶剂为水、甲醇、乙醇中的至少一种。
[0025]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0026]本专利技术提供一种高导电性碳纤维纸及其制备方法，不仅在碳纤维原纸表面构筑有机金属框架化合物，同时对碳纤维原纸进行了二次浸渍，强化了碳纤维之间的网络结构，提高了碳纤维纸的力学性能；并且通过二次浸渍使第一中间体上吸附上了贵金属盐，通过热压碳化过程，碳纤维表面的有机金属框架化合物形成内部嵌有石墨化碳包覆过渡金属单质的多孔碳基底，同时贵金属盐被还原为金属纳米单质颗粒，并由于限域作用均匀分布在多孔碳基底表面，有效提高了碳纤维纸的导电性。
[0027]同时，碳纤维表面的多孔碳基底在微观上呈现交错的粗糙结构，强化了碳纤维、树脂碳之间的网络结构和结合力，有效提高了碳纤维纸的力学性能，避免了高温石墨化工艺带来的机械性能明显下降的问题，又克服了低温碳化存在的导电性差的问题，实现了碳纤维纸机械性能和导电性能的协同控制。
[0028]本专利技术对第二中间体进行碳化处理后，有机金属框架化合物热解后其内部的过渡
金属生成金属单质，金属单质与有机框架中的氮元素构成金属
‑
氮多元配位体，同时贵金属盐还原为金属纳米单质颗粒，两者在燃料电池应用中均起到催化作用，辅助催化剂强化催化效果。
[0029]本专利技术通过控制短切碳纤维与表面处理剂、粘结剂的质量比，利用表面处理剂的改性作用，粘结剂的表面位阻作用，实现了碳纤维的单丝分散，保证了碳纤维原纸的匀度。
附图说明
[0030]图1是本专利技术实施例1得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高导电性碳纤维纸，其特征在于，所述高导电性碳纤维纸为三维网络结构，具体由改性碳纤维与树脂碳粘结形成，所述改性碳纤维表面具有多孔碳基底，所述多孔碳基底表面负载有贵金属单质，内部嵌有石墨化碳包覆的过渡金属单质。2.根据权利要求1所述的一种高导电性碳纤维纸，其特征在于，所述多孔碳基底占所述高导电性碳纤维纸的质量百分比为0.6％～2.59％，所述贵金属单质占所述高导电性碳纤维纸的质量百分比为0.6％～3.45％，所述树脂碳占所述高导电性碳纤维纸的质量百分比为17％～45％；所述树脂碳通过聚合物胶热处理得到。3.一种高导电性碳纤维纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，使用表面处理剂对短切碳纤维进行预处理，并将预处理后的短切碳纤维成型，得到碳纤维原纸；S2，将碳纤维原纸在包含可溶性过渡金属盐的第一浸渍液中进行完全浸渍，再加入2
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甲基咪唑溶液，反应后干燥、得到第一中间体；S3，将第一中间体浸渍在包含贵金属的无机盐的第二浸渍液中，或将包含贵金属的无机盐的第二浸渍液喷洒在第一中间体上，干燥得到第二中间体；S4，对第二中间体进行热压、碳化处理得到高导电性碳纤维纸。4.根据权利要求3所述的一种高导电性碳纤维纸的制备方法，其特征在于，所述S2中，所述第一浸渍液包括第一聚合物胶、可溶性过渡金属盐和第二溶剂，所述S1中短切碳纤维与可溶性过渡金属盐的用量比为(0.9～1.1)g：(0.25～1)mmol；第一聚合物胶、2
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甲基咪唑、可溶性过渡金属盐和第二溶剂的用量比为(4.2～10.8)g：(7.4～59.2)mmol：(0.8～2.9)mmol：(70～90)g。5.根据权利要求4所述的一种高导电性碳纤维纸的制备方法，其特征在于，所述S2中，第一聚合物胶包括聚丙烯腈、环氧树脂、醇溶性酚醛树脂或高残碳树脂中的至少一种；可溶性过渡金属盐包括可溶性钴盐和可溶性锌盐，可溶性钴盐与可溶性锌盐的摩尔比为6:0～0:6；第二溶剂为甲醇或乙醇。6.根据权利要求3所述的一种高导电性碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：高昕瑾，王乐苗，刘林涛，吴磊，袁丽只，
申请(专利权)人：陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：