[发明专利]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

说明书

本发明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‑空气电池和电解水等领域。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

气体扩散层GDL，在质子交换膜燃料电池电芯的重要组成部分。GDL有负载支撑催化剂、收集电流、提供和转移电子，还承载着电极电化学反应的气体、电解液和热能等传输通道的功能。其应用性能要求高，包括具备良好的传质、传热和导电的性能，很高的透气性，同时需要良好的机械强度，能支撑多相多维反应和质能传输。

GDL大体上有四种，碳纸(由短切碳纤维作为主要基元组成)、碳纤维编织布(由碳纤维束编织，较厚，强度高，柔软)、无纺布(通常由高分子材料碳化转化而成)和碳黑纸 (炭黑颗粒组装粘结等方式制备)。由于碳纸相对其它类型GDL厚度在一定范围内可调整，可更薄，表面平整，能耐腐蚀，孔隙率大，且制造工艺相对成熟，经历过商业验证，至今已发展成为主流产品。

碳纸制备的工艺线路，通常是把碳纤维短切成毫米-厘米级的短碳纤维丝，与聚合物和粘结剂制成浆料，经过涂敷成型，再经过高温碳化石墨化等工艺形成支撑层。然后经过涂敷微孔层，再进行表面疏水处理等工艺步骤。尽管碳纸经历了商业化验证，但碳纸也存在明显不足：碳纤维短切后丧失了碳纤维的长程的机械强度，碳纸产品的脆性很大，导电和导热性能都不够高。例如日本某公司的先进碳纸产品的厚度0.19毫米，拉伸强度50MPa，导热系数约10W/m·K。总之，短切碳纤维基的气体扩散层的性能几乎到了极限，难以大幅度提高。

理论上，石墨烯是碳纤维基元，一般认为发现于2004年，比碳纤维晚得多。石墨烯，是由碳原子以sp2杂化化学键键合，碳原子紧密堆积成六角形蜂窝晶格，是真正意义上的二维的原子晶体。石墨烯集合顶级的导热性、导电性、柔韧性和化学稳定性于一身。石墨烯具有比碳黑性能方面的优势，包括更好的抗电化学腐蚀的能力，更好的导电性，更好的导热性能。石墨烯是原子厚度的二维微观材料，本人团队报道过通过电解法石墨烯辅助碳纤维展单丝，制备出石墨烯-碳纤维-活性炭复合的高强度电极材料，具有超级电容碳和高机械强度的性能(专利CN201610886809.8；Carbon,126(2018),pp 500-506)。

发明内容