【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池，涉及一种碳载体的改性方法、改性后的碳载体、膜电极和燃料电池，尤其涉及一种燃料电池用碳载体的改性方法、改性后的碳载体、膜电极和燃料电池。
技术介绍
1、氢燃料电池因使用过程中没有污染气体排放，受到极大的追捧，而要满足其使用时的功率性能，目前尚且需要使用较多的为贵金属(如铂)，因此，如何降低贵金属的使用量、增加性能，降低成本，且保证其长寿命，提升产品竞争力成为行业内努力的方向。
2、就短期可见的增加贵金属利用率、提升性能方面，目前开发了较多途径，如使用多孔载体碳，开发新的nafion离子树脂降低传质阻力，调节催化层空隙，进行载体的修饰几个方面成为重要突破点。现有技术中常通过酸处理、高锰酸钾、双氧水、空气或臭氧等反应修饰碳载体。
3、cn110739475a公开了一种具有超低氧气传质阻力的膜电极，通过浓硫酸处理从而实现负电荷修饰的碳载体来优化离聚物的分布，降低氧气传质阻力的目的。该方法工艺复杂，且经浓硫酸处理的催化剂往往亲水性过强，催化层易出现“水淹”现象，从而造成大电流密度区性能的急剧下降。
4、cn111129518a公开了一种改性碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用。所述方法包括如下步骤：(1)将碳载体与分散剂水溶液混合，得到溶液a；(2)将含氟表面活性剂与高聚物水分散液混合，得到溶液b；(3)将所述溶液a与所述溶液b混合，分离得到固体产物，将所述固体产物煅烧，得到初步改性碳载体；(4)将所述初步改性碳载体与氧化剂水溶液混合，得到改性碳载体。氧化剂包括硝酸、硫酸、过氧
5、因此，如何降低燃料电池膜电极(mea)中贵金属的用量，同时还不影响其性能发挥，并且提升mea的耐久性，是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种碳载体的改性方法、改性后的碳载体、膜电极和燃料电池。本专利技术通过循环伏安法，可实现短时间内对碳载体进行精准且有效地修饰改性，修饰改性后的碳载体，制备的mea性能明显提升；同时在同等性能下，减少了催化剂中贵金属的用量，降低了成本。
2、为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种碳载体的改性方法，所述改性方法包括以下步骤：
4、构建三电极体系，将碳载体分散于工作电极表面，以碱性溶液作为反应介质；
5、反应介质在饱和氧浓度的条件下，对三电极体系施加电压，进行循环扫描，得到改性后的碳载体。
6、本专利技术中，碳载体为常规技术选择，包括但不限于活性炭、石墨、石墨烯、实心炭黑、介(多)孔碳、碳纤维、碳纳米纤维或碳纳米管等。
7、进一步地，本专利技术不对饱和氧浓度的实现做限定，本领域技术人员可直接获知的技术方案，本专利技术均适用，如在碱性溶液中通入氧气，直至溶液中氧的浓度达到饱和。
8、本专利技术提供的碳载体的改性方法，通过三电极体系下的循环伏安法，可以实现短时间内对碳载体精准的修改改性，通过进行电位调节，选择性增加了碳载体中含氧基团的种类和数量，从而提升了mea的性能；从而在满足同等性能的条件下，降低了碳载体中贵金属的使用量，节约成本，提高了生产效能。
9、本专利技术中，反应介质如果为其他物质，而非碱性溶液及氧饱和，则较难实现碳载体低电位快速选择性修饰；同时，用三电极的循环伏安法进行碳载体的修饰改性，则一方面保证了反应电位的准确，另一方面可以在一定电位区间对所需要的基团进行选择性修饰。
10、优选地，先将碳载体进行预处理，再将预处理后的碳载体分散于工作电极表面。
11、优选地，所述预处理的方法包括：将碳载体研磨，热处理，得到预处理后的碳载体。
12、本专利技术中，先对碳载体进行热处理后，可以使碳载体表面原子重新排列，从而实现了碳载体整体的稳定性和导电性，方便后期修饰改性。
13、优选地，所述热处理的温度为900～2100℃，例如900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃、1800℃、1900℃、2000℃或2100℃等。
14、本专利技术中，热处理的温度如果过低，低于900℃，则不容易使碳稳定产生明显影响；而过高，高于2100℃，又会很快破坏碳载体本身的孔道结构。
15、优选地，所述热处理的时间为0.5～5h，例如0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h等。
16、优选地，所述热处理的气氛包括保护性气氛。
17、优选地，所述碱性溶液包括氢氧化钾溶液和/或氢氧化钠溶液。
18、优选地，所述碱性溶液的浓度为0.001～5mol/l，例如0.001mol/l、0.005mol/l、0.05mol/l、0.1mol/l、0.5mol/l、1mol/l、1.5mol/l、2mol/l、2.5mol/l、3mol/l、3.5mol/l、4mol/l、4.5mol/l或5mol/l等。
19、本专利技术中，碱性溶液的浓度如果过低，低于0.001mol/l，不利于低电位快速修饰，过高不方便操作。
20、优选地，所述电压的范围为-0.95～-0.5v。
21、本专利技术中，电压即为扫描电位的范围，如果不在该电压范围内，则不利于保证碳载体本身的稳定性，修饰的基团影响后期铂颗粒负载，以及易导致铂颗粒脱落，也同时影响离子树脂分布和催化剂耐久。
22、优选地，所述循环扫描的圈数为1～20圈，例如1圈、2圈、3圈、4圈、5圈、6圈、7圈、8圈、9圈、10圈、11圈、12圈、13圈、14圈、15圈、16圈、17圈、18圈、19圈或20圈等。
23、优选地，所述循环扫描结束后，将工作电极与碳载体分离，然后清洗分离后的碳载体。
24、作为优选的技术方案，所述改性方法包括以下步骤：
25、将碳载体研磨，保护性气氛下以900～2100℃进行热处理0.5～5h，得到预处理后的碳载体；
26、构建三电极体系，将预处理后的碳载体分散于工作电极表面，以浓度为0.001～5mol/l碱性溶液作为反应介质；
27、反应介质在饱和氧浓度的条件下，对三电极体系施加电压范围为-0.95～-0.5v的电压，进行循环扫描1～20圈，循环扫描结束后，将工作电极与碳载体分离，然后清洗分离后的碳载体，得到改性后的碳载体。
28、第二方面，本专利技术提供一种改性后的碳载体，所述改性后的碳载体由如第一方面所述的改性方法改性后得到。
29、第三方面，本专利技术提供一种膜电极，所述膜电极中包括如第二方面所述的改性后的碳载体。
30、本专利技术中，改性后的碳载体在膜电极的具体应用均为常规技术认知。
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【技术保护点】
1.一种碳载体的改性方法，其特征在于，所述改性方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳载体的改性方法，其特征在于，先将碳载体进行预处理，再将预处理后的碳载体分散于工作电极表面；
3.根据权利要求2所述的碳载体的改性方法，其特征在于，所述热处理的温度为900～2100℃；
4.根据权利要求1-3任一项所述的碳载体的改性方法，其特征在于，所述碱性溶液包括氢氧化钾溶液和/或氢氧化钠溶液；
5.根据权利要求1-4任一项所述的碳载体的改性方法，其特征在于，所述电压的范围为-0.95～-0.5V；
6.根据权利要求1-5任一项所述的碳载体的改性方法，其特征在于，所述循环扫描结束后，将工作电极与碳载体分离，然后清洗分离后的碳载体。
7.根据权利要求1-6任一项所述的碳载体的改性方法，其特征在于，所述改性方法包括以下步骤：
8.一种改性后的碳载体，其特征在于，所述改性后的碳载体由如权利要求1-7任一项所述的改性方法改性后得到。
9.一种膜电极，其特征在于，所述膜电极中包括如权利要求8所述的改性后
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括如权利要求9所述的膜电极。
...【技术特征摘要】
1.一种碳载体的改性方法，其特征在于，所述改性方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳载体的改性方法，其特征在于，先将碳载体进行预处理，再将预处理后的碳载体分散于工作电极表面；
3.根据权利要求2所述的碳载体的改性方法，其特征在于，所述热处理的温度为900～2100℃；
4.根据权利要求1-3任一项所述的碳载体的改性方法，其特征在于，所述碱性溶液包括氢氧化钾溶液和/或氢氧化钠溶液；
5.根据权利要求1-4任一项所述的碳载体的改性方法，其特征在于，所述电压的范围为-0.95～-0.5v；<...
【专利技术属性】
技术研发人员：岳国青，孙昕野，王英，
申请(专利权)人：中汽创智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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