一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法，属于功能型炭纸制备技术领域。所述单向透水的Janus复合纸，包括超亲水层、催化剂层、气体扩散层和疏水层；所述超亲水层为炭纸；催化剂层为炭颗粒，气体扩散层为石墨烯和纳米炭球；疏水层为聚四氟乙烯。本发明专利技术生产的单向透水的Janus复合纸具有生产成本较低、绿色环保、透气度高和抗水性强等优点。透气度高和抗水性强等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法


[0001]本专利技术属于功能型炭纸制备
，尤其涉及一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法。

技术介绍

[0002]能源是推动人类社会进步的动力，历史上的每一次能源技术创新都曾给社会发展带来过深远的影响。但是，在人类社会发展的进程中，绝大部分的能量转化是通过燃烧化石燃料的方式完成的，这种能源转化方式不但效率低下，并且造成环境的污染。因此，在环境保护备受关注的今天，发展高效、清洁的绿色能源体系越来越受到各国政府和科技界的重视，并成为人类社会可持续发展的核心内容。燃料电池作为以氢气以及醇类物质为燃料的能源转化装置，以其高效的能源转化效率和环境友好的特性，在包括电站、汽车、航空航天以及便携式电子设备等众多领域都有相当广泛的应用前景，成为目前研究的热点。
[0003]通常，按所使用的电解质的不同，燃料电池可以分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池和固体氧化物燃料电池等。在这些燃料电池类型中，质子交换膜燃料电池具有低温快速启动（通常低于100℃）、无电解液流失、寿命长以及高能效比的突出优点，特别适用于汽车和便携式电子设备，近年来发展迅速。电池由一层聚合物离子导电膜和两端的两个电极组成(阴极和阳极)构成，其中每个电极又可以分为双极板，气体扩散层和催化层三部分。气体扩散层，催化层和离子导电膜构成了质子交换膜燃料电池的核心组件
‑
膜电极。由于固体聚合物电解质的使用，质子交换膜燃料电池可以制作非常薄的“阴极
‑
电解质
‑
阳极”膜电极结构，达到构建紧凑燃料电池堆以及实现燃料电池微型化的目的。然而，目前燃料电池的电极存在透气性差、水蒸气和液态水无选择性透过导致电池内容易水淹或缺水等不足，因此制备透气性高、水蒸气和液态水选择性透过的电极具有一定的实际应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法。
[0005]具体技术方案如下：一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法，包括超亲水层、催化剂层、气体扩散层和疏水层；所述超亲水层为炭纸；催化剂层为炭颗粒，气体扩散层为石墨烯和纳米炭球；疏水层为聚四氟乙烯。
[0006]在一些实施例中，所述炭纸的厚度为200
ꢀ‒
2000
ꢀµ
m。
[0007]在一些实施例中，所述炭球的直径为20
‒
70
ꢀµ
m。
[0008]在一些实施例中，所述纳米炭球的直径为100
‒
500 nm本专利技术还提供了上述一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法，包括以下步骤：a、配制多巴胺和炭球的复合溶液：将10
‒
30份的炭球和40
‒
120份的多巴胺分散在20
‒
60份的去离子水中，超声处理形成均匀的混合溶液；配制石墨烯的水溶液：将10
‒
30份的
石墨烯分散在100
‒
120份的去离子水中，超声处理形成均匀的分散液；配制纳米炭球的乙醇分散液：将10
‒
30份的纳米炭球分散在80
‒
100份的乙醇中，超声处理得到均匀的纳米碳球的乙醇分散液；配制聚四氟乙烯乳液：在多功能反应釜中，将10
‒
30份的四氟乙烯分散在100
‒
200份的去离子水中，再依次加入1
‒
8份全氟羧酸铵盐和0.1
‒
0.5氟碳化合物，最后再加入0.2
‒
0.4份过硫酸钾，在温度为20
‒
300C，压力为0.49～0.78MPa的条件下，开始反应5
‒
12小时，聚合后所得到的分散液过滤出去滤液，加入50
‒
100份的去离子水在快速搅拌机中分散形成乳液。
[0009]b、借助优化的快速印刷或涂布技术，在炭纸单一表面涂覆多巴胺和炭颗粒的浆料，炭颗粒的涂布密度为 0.8
‑
2.4 mg/cm2，将涂布后的炭纸置于烘箱中，在100
‒
1200C下聚合反应3
‒
5小时使多巴胺完全聚合形成聚多巴胺；c、借助优化的快速印刷或涂布技术，在步骤b所制备的炭纸涂布有聚多巴胺和炭球的表面涂布石墨烯的水溶液，石墨烯的涂布密度为1.0~3.0 mg/cm2，并在100
‒
1200C下干燥12
‒
24小时；d、借助优化的快速印刷或涂布技术，在步骤c所制备的炭纸表面继续涂布纳米碳球的乙醇分散液，纳米炭球的涂布密度为0.9~3.2 mg/cm2 ，并在70
‒
800C下干燥1
‒
3小时；e、借助优化的快速印刷或涂布技术，在步骤d所制备的炭纸表面继续涂布聚四氟乙烯乳液，并在200
‒
3000C下烧结24
‒
48小时，得到单向透水的Janus复合纸。
[0010]本专利技术具有以下优点：（1）炭纸作为基地材料，具有良好的耐化学性能和耐高温性能，后续加工制备的燃料电池电极可以继承其耐化学性和耐高温性；（2）对炭纸的单一表面进行功能改性，赋予炭纸不对称性能，改性表面具有良好的疏水性，可以保证气态水蒸气透过，而液态水无法穿过，赋予燃料电池保持湿润状态却不会造成水淹的独特性能。
附图说明
[0011]图1和2分别为实施例5所制备炭纸改性和未改性表面的水接触角图3和4分别为实施例6所制备炭纸改性和未改性表面的水接触角图5和6分别为实施例7所制备炭纸改性和未改性表面的水接触角
具体实施方式
[0012]下面将结合具体实施例，技术工艺步骤，具体实施条件和材料，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付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。
[0013]实施例1将20份的炭球和80份的多巴胺分散在60份的去离子水中，超声处理形成均匀的混合溶液。
[0014]实施例2将20份的石墨烯分散在100份的去离子水中，超声处理形成均匀的分散液。
[0015]实施例3将20份的纳米炭球分散在80份的乙醇中，超声处理得到均匀的纳米碳球的乙醇分散液。
[0016]实施例4在多功能反应釜中，将20份的四氟乙烯分散在100份的去离子水中，再依次加入4份全氟羧酸铵盐和0.3氟碳化合物，最后再加入0.4份过硫酸钾，在温度为250C，压力为0.49～0.78MPa的条件下，开始反应10小时，聚合后所得到的分散液过滤出去滤液，加入100份的去离子水在快速搅拌机中分散形成乳液。
[0017]实施例5A、借助优化的快速印刷或涂布技术，在炭纸单一表面涂覆多巴胺和炭颗粒的浆料，炭颗粒的涂布密度为 1.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法，其特征在于，包括超亲水层、催化剂层、气体扩散层和疏水层；所述超亲水层为炭纸；催化剂层为炭颗粒，气体扩散层为石墨烯和纳米炭球；疏水层为聚四氟乙烯。2.如权利要求1所述的一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法，其特征在于，所述炭纸的厚度为200
ꢀ‒
2000
ꢀµ
m。3.如权利要求1所述的一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法，其特征在于，所述炭球的直径为20
‒
70
ꢀµ
m。4.如权利要求1所述的一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法，其特征在于，所述纳米炭球的直径为100
‒
500 nm。5.权利要求1
‒
5所述的一种单向透水的Janus炭纸及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a、配制多巴胺和炭球的复合溶液：将10
‒
30份的炭球和40
‒
120份的多巴胺分散在20
‒
60份的去离子水中，超声处理形成均匀的混合溶液；配制石墨烯的水溶液：将10
‒
30份的石墨烯分散在100
‒
120份的去离子水中，超声处理形成均匀的分散液；配制纳米炭球的乙醇分散液：将10
‒
30份的纳米炭球分散在80
‒
100份的乙醇中，超声处理得到均匀的纳米碳球的乙醇分散液；配制聚四氟乙烯乳液：在多功能反应釜中，将10
‒
30份的四氟乙烯分散在100
‒
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【专利技术属性】
技术研发人员：石聪灿，田君飞，万小芳，陈广学，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：