一种再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料的制备方法，包括：利用原位化学氧化聚合法在纤维素上包覆一层酸掺杂的导电聚合物，形成导电聚合物/纤维素复合纤维；利用脱掺杂

【技术实现步骤摘要】
一种再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及碳纤维纸
，尤其涉及一种再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转化装置，其以氢气、天然气、甲烷、甲醇、乙醇等为燃料，以空气或氧气为氧化剂，主要产物是水，所以具有环境友好的优势。燃料电池不仅能量转换效率高，而且可靠性高，是一种高效且环保的发电装置，在汽车、家庭以及航空等领域有巨大的应用前景。
[0003]碳纤维纸是用于质子交换膜燃料电池的关键材料之一。碳纤维纸在燃料电池中作为气体扩散层的基材，是燃料电池的核心组件，一方面起到支撑催化剂层的作用，另一方面为电极的反应提供电子传输通道、气体传输通道及排水通道。因此，燃料电池稳定良好的运行的前提必然是对碳纤维纸的导电性能和疏水性能提出高要求。
[0004]然而，碳纤维是以聚丙烯腈纤维等有机纤维为原料通过高温条件制得的，其表面活性基团较少，具有一定的疏水性，由其制备的碳纤维纸存在纤维分散性差和成纸强度低等缺点。因此，植物纤维常被用于碳纤维纸的加工，植物纤维主要成分为β
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1,4糖苷键连接的大分子多糖，含有丰富的羟基基团，可以辅助碳纤维的分散。植物纤维在碳纤维纸中还可以提高碳纤维纸的强度，赋予碳纤维纸良好的加工性能。但是植物纤维本身是绝缘物质，且其分子碳含量较低，对碳纤维纸的导电性会产生不利影响。不仅如此，植物纤维具有很强的吸水性，会降低碳纤维纸的疏水性，不能满足燃料电池对气体扩散层的要求。
[0005]施云舟等研究发现，湿法抄纸工艺得到的碳纤维纸导电性会因碳纤维的分布问题发生明显的波动，而以阴离子聚丙烯酰胺作为分散剂可以改善这种问题。庞志鹏等人以碳纳米管和植物纤维为添加剂，通过湿法成型技术获得了碳纤维
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碳纳米管纸基导电复合材料，提升了复合纸的导电性。但是，在当前技术条件下制备兼具良好的疏水性和较低电阻率的碳纤维纸仍然是一大难题。
[0006]综上所述，有必要提出一种再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题在于，针对碳纤维纸具有导电性和疏水性差的缺点，不能满足燃料电池的高性能稳定性的需要的问题，提出了一种再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料及其制备方法。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料，其制备方法包括以下步骤：
[0009]步骤一、利用原位化学氧化聚合法在纤维素上包覆一层酸掺杂的导电聚合物，形成导电聚合物/纤维素复合纤维；
[0010]步骤二：利用脱掺杂
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再掺杂的方法在导电聚合物/纤维素复合纤维上引入全氟磺酸，以得到全氟磺酸掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维；
[0011]步骤三：利用全氟磺酸掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维与碳纤维共混后，通过碳纸湿法制备工艺成型，经过干燥、热压得到原位包覆纤维素复合碳纤维纸基电极材料。
[0012]其中，步骤一的具体步骤为：按照质量比为2:(1
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2)的比例将纤维素、导电聚合物单体均匀分散于磺基水杨酸水溶液中，搅拌0.5小时使其分散均匀；向上述分散液中加入过硫酸铵溶液，继续搅拌2
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24小时，将上述分散液在滤网中过滤，洗涤，得到导电聚合物/纤维素复合纤维。
[0013]其中，导电聚合物单体为苯胺、吡咯、3,4
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乙撑二氧噻吩中的一种，过硫酸铵溶液与导电聚合物单体的摩尔比为1:1，过硫酸铵溶液浓度为0.1
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0.6mol/L，磺基水杨酸水溶液浓度为0.1
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0.4mol/L。
[0014]其中，步骤二的具体步骤为：将步骤一中得到的导电聚合物/纤维素复合纤维浸入质量分数为10％氨水溶液中0.5
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2h，过滤，用水洗涤至中性，得到脱掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维，将脱掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维浸入全氟磺酸溶液中1
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24小时，过滤，得到全氟磺酸掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维。
[0015]其中，全氟磺酸为三氟甲烷磺酸，全氟乙基磺酸、全氟丁基磺酸、全氟己基磺酸、全氟癸烷磺酸中的一种，全氟磺酸溶液浓度为0.1
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1mol/L。
[0016]其中，步骤三的具体步骤为：将步骤二中得到的全氟磺酸掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维和碳纤维按照质量比为(5
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20):100的比例均匀分散在水中，得到混合浆料；将混合浆料进行抽滤成型、干燥、热压，得到原位包覆纤维素复合碳纤维纸基电极材料。
[0017]其中，热压条件为：压力为3
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7MPa，温度为130
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150℃，时间为1
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30分钟。
[0018]实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：
[0019]本专利技术利用导电聚合物对植物纤维进行原位包覆改性，再通过脱掺杂
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再掺杂的方法在导电聚合物/纤维素复合纤维上负载全氟磺酸，以得到全氟磺酸掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维，利用带有含氟基团的磺酸对导电聚合物进行掺杂一方面可以提高材料的载流子数量和传递速度，另一方面由于含氟基团的引入可以降低材料的表面能。相对于未改性植物纤维，其具有电阻率低和疏水性好的优点。由于兼具疏水性全氟磺酸掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维的引入，利用全氟磺酸掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维与碳纤维共混得到的原位包覆纤维素复合碳纤维纸基电极材料内部可以形成更多的导电通路，进而使碳纤维纸整体表现出更高的导电性。含氟基团在热压后均匀的扩散并分布在碳纤维纸的表面和内部，从而赋予了碳纤维纸获更好的疏水性能。本专利技术的方法，从碳纤维纸的原料之一植物纤维入手，对其进行包覆改性，而不是对碳纤维进行改性，避免了破坏碳纤维的物理和化学性质，改善了碳纤维纸的导电性和疏水性。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为本专利技术提供的采用本再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料制备方法制备得到的原位包覆纤维素复合碳纤维纸基电极材料的接触角的图片。
具体实施方式
[0022]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]一种再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料的制备方法包括以下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：步骤一、利用原位化学氧化聚合法在纤维素上包覆一层酸掺杂的导电聚合物，形成导电聚合物/纤维素复合纤维；步骤二：利用脱掺杂
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再掺杂的方法在导电聚合物/纤维素复合纤维上引入全氟磺酸，以得到全氟磺酸掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维；步骤三：利用全氟磺酸掺杂导电聚合物/纤维素复合纤维与碳纤维共混后，通过碳纸湿法制备工艺成型，经过干燥、热压得到原位包覆纤维素复合碳纤维纸基电极材料。2.根据权利要求1所述的再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料，其特征在于，所述步骤一的具体步骤为：按照质量比为2:(1
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2)的比例将纤维素、导电聚合物单体均匀分散于磺基水杨酸水溶液中，搅拌0.5小时使其分散均匀；向上述分散液中加入过硫酸铵溶液，继续搅拌2
‑
24小时，将上述分散液在滤网中过滤，洗涤，得到导电聚合物/纤维素复合纤维。3.根据权利要求2所述的再掺杂疏水型复合碳纤维纸基电极材料，其特征在于，所述导电聚合物单体为苯胺、吡咯、3,4
‑
乙撑二氧噻吩中的一种，所述过硫酸铵溶液与所述导电聚合物单体的摩尔比为1:1，所述过硫酸铵溶液浓度为0.1
‑
0.6mol/L，所述磺基水杨酸水溶液浓度为0.1
‑
0.4mol/L...

【专利技术属性】
技术研发人员：常紫阳，郭大亮，沙力争，梁鼎强，韩守一，杨子杰，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：