基于层层自组装技术的燃料电池用碳纸涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于层层组装技术的燃料电池用碳纸保护涂层的制备方法，这种多层聚电解质共混涂层不仅能够保护碳纸，减缓在使用过程中氧化剥离程度，还能在受损伤后利用燃料电池工作过程中产生的水快速修复，从而极大程度的延长电池的使用寿命，提高电池的循环性能，属于能源环境技术领域。
【背景技术】
[0002]碳纸又称为碳纤维纸(布)，是燃料电池实验的专用材料，作为气体扩散层主要材料，起到传导电子、提供气体通道和排出水等多重作用，是影响电池电极性能的关键部件之一，但是其在工作过程中很容易被氧化而分层、甚至剥落，严重影响燃料电池的使用寿命和循环稳定性。
[0003]自修复材料模仿生物体损伤愈合的原理，在材料断裂或受到机械刮擦时，主要借助本身内在的资源而实现对于损伤的修复。自修复既可以在材料遭受损伤后自发进行，也可以借助光、热等外界刺激诱发自修复过程。
[0004]层层自组装技术(Layer-by-Layer selfassembly)是近年来发展起来的制备有序薄膜的方法。它利用有机或无机阴阳离子的静电吸附特性，通过反离子体系的交替分子沉积形成薄膜。1991年D.Decher等人用层层吸附技术对构造有序薄膜进行了开创性研究。他们用两亲性有机阴阳离子(或者聚电解质)在离子化基片表面交替吸附制备多层膜。到目前为止，很多种材料比如碳纳米管、蛋白质、核酸、磷脂和有机/无机颗粒都被成功的用来构造具有特定组成，厚度和性质的多层有序膜。Lyon和South首先指出，层层自组装制备的水凝胶薄膜可以在水为引发剂的条件下快速的愈合。我们在前期的工作过程中基于层层自组装方法，构筑了具有划痕修复能力的支化聚乙烯基亚胺(bPEI)/聚丙烯酸(PAA)-氧化石墨烯(GO)层层组装聚电解质膜。
[0005]基于层层组装制备的燃料电池用碳纸保护涂层在以水为引发剂的条件下快速的愈合。其原理是:当具有自修复能力的保护涂层受损后，遇到氢燃料电池工作时产生的水，能够快速吸水发生溶胀，从而致使受损部位的涂层能够发生侧向移动，使得受损的带相反电荷的聚电解质相互接触并重新形成静电结合而修复损伤。
[0006]在本计划中，我们通过层层组装技术，在碳纸基底上循环沉积支化聚乙酰亚胺和聚丙烯酸，制备出具有自修复能力、可控厚度、尺寸和表面结构的碳纸保护涂层。
【发明内容】
[0007]技术问题:本发明的目的是提供一种基于层层自组装技术的燃料电池用碳纸保护涂层的制备方法，本法构筑的聚电解质共混膜不仅要有效的保护碳纸，减弱碳纸在工作过程中的氧化及剥离程度，而且还要具有快速的自修复能力，能够在受损后迅速的自我修复，延长碳纸的使用寿命，提高燃料电池的循环稳定性，这就需要对在组装过程中严格控制聚电解液的PH值；由于构筑的聚电解质共混膜导电性较差，所以膜厚也要严格控制。
[0008]技术方案:本发明的具体技术方案如下:
[0009]本发明首次公开了一种基于层层自组装技术的燃料电池用碳纸涂层的制备方法，以经过表面处理后的碳纸为基底，以带相反电荷的聚电解质(支化聚乙酰亚胺(bPEI)和聚丙烯酸(PAA))为原料，通过层层自组装技术制备出具有自修复能力的碳纸保护涂层。
[0010]本发明的基于层层自组装技术的燃料电池用碳纸涂层的制备方法包括以下步骤:
[0011]步骤一，将碳纸用等离子接枝仪进行表面处理，使其表面带负电，作为后序组装的基底材料；
[0012]步骤二，处理后的碳纸基底浸入支化聚乙酰亚胺bPEI水溶液中I一30分钟取出后用蒸馏水冲洗；
[0013]步骤三，将经过步骤二处理的碳纸基底浸入聚丙烯酸PAA水溶液中I一30分钟，取出后用蒸馏水冲洗；
[0014]重复步骤二和步骤三，反复在面膜基底表面组装多层聚电解质，从而得到具有自修复能力的碳纸保护涂层。
[0015]所述的层层自组装技术制备的碳纸保护涂层所用的原料为:支化聚乙酰亚胺/聚丙烯酸，也可用支化聚乙酰亚胺/透明质酸、壳聚糖/聚丙烯酸或壳聚糖/海藻酸钠替代。
[0016]有益效果:本发明利用支化聚乙酰亚胺/聚丙烯酸通过静电吸附制备的燃料电池用碳纸保护涂层，在本发明中，我们通过层层组装技术，在碳纸基底上循环沉积支化聚乙酰亚胺和聚丙烯酸，制备出具有自修复能力、可控厚度、尺寸和表面结构的碳纸保护涂层。
[0017]具有以下优点:
[0018]1.基于层层自组装技术制备出的燃料电池用碳纸保护涂层，不仅能够减缓碳纸工作过程中的受到的氧化与腐蚀作用，还具有快速的自修复能力，即使在受损后也能迅速修复，延长碳纸的使用寿命，提高燃料电池的循环性能。
[0019]2.方法简单有效，操作简便，且所需时间较短，制备装置简单，不需要特殊的设备，普通的培养皿，pH计和干燥箱就可以满足要求。
[0020]3.应用范围广:通过层层自组装方法构筑的保护涂层不止能够应用在燃料电池用碳纸上，还可以以类似的材料为基底，组装涂层，从而对基底有一定的保护作用，甚至可以组装的金属上从而用于金属的腐蚀防护方面。
[0021]4.无毒无害:选用的材料都是生物兼容或者可降解的，所以对环境都绿色有好，是非常好的生态环境材料。
【附图说明】
[0022]图1是燃料电池用碳纸涂层受损后的自修复过程图。
[0023]图2是燃料电池用碳纸涂层(L:不同层数)和常规碳纸在水中的电解图。
【具体实施方式】
[0024]本发明的基于基于层层自组装技术的燃料电池用碳纸涂层的制备方法包括以下步骤:
[0025]步骤一，将碳纸用等离子接枝仪进行表面处理，使其表面带负电；
[0026]步骤二，处理后的碳纸基底浸入到支化聚乙酰亚胺(bPEI)水溶液中I一30分钟，取出后用蒸馏水冲洗；
[0027]步骤三，将经过步骤二处理的碳纸基底浸到聚丙烯酸(PAA)水溶液中I一30分钟，取出后用蒸馏水冲洗；
[0028]重复步骤二和步骤三，反复在面膜基底表面组装多层聚电解质，从而得到具有自修复能力的碳纸保护涂层。
[0029]所述的碳纸保护涂层可以通过多种不同类型的聚电解质(例如:支化聚乙酰亚胺/聚丙烯酸；支化聚乙酰亚胺/透明质酸；壳聚糖/聚丙烯酸和壳聚糖/海藻酸钠等)制备。
[0030]所述的碳纸基底为燃料电池通用的碳纸材料。
[0031]所述步骤二和步骤三的组装时间，针对不同的实验环境和工艺，可以上下波动。
[0032]以下结合具体实施例进一步阐述本发明，而非限制本发明的保护范围。
[0033]实施例1
[0034]步骤一，将碳纸用等离子接枝仪进行表面处理，使其表面带负电；
[0035]步骤二，处理后的碳纸基底浸入到支化聚乙酰亚胺(bPEI)水溶液中30分钟，取出后用蒸馏水冲洗；
[0036]步骤三，将经过步骤二处理的碳纸基底浸到透明质酸(HA)水溶液中15分钟，取出后用蒸馏水冲洗；
[0037]重复步骤二和步骤三，反复在面膜基底表面组装多层聚电解质，从而得到具有自修复能力的碳纸保护涂层。
[0038]实施例2
[0039]步骤一，将碳纸用等离子接枝仪进行表面处理，使其表面带负电；
[0040]步骤二，处理后的碳纸基底浸入到壳聚糖(chitosan)水溶液中15分钟，取出后用蒸馏水冲洗；
[0041]步骤三，将经过步骤二处理的碳纸基底浸到聚丙烯酸(PAA)水溶液中30分钟，取出后用蒸馏水冲洗；
[0042]重复步骤二和步骤三，反复在面膜基底表面组装多层聚电解质，从而得到具有自修复能力的碳纸保护涂层。
[0043]实施例3
[0044]步骤一，将碳纸用等离子接枝仪进行表面处理，使其表面带负电；
[0045]步骤二，处理后的碳纸基底浸入到壳聚糖(chitosan)水溶液中5分钟，取出后用蒸馏水冲洗；
[0046]步骤三，将经过步骤二处理的碳纸基底浸到海藻酸钠(NaAlg)水溶液中5分钟，取出后用蒸馏水冲洗；
[0047]重复步骤二和步骤三，反复在面膜基底表面组装多层聚电解质，从而得到具有自修复能力的碳纸保护涂层。
【主权项】
1.一种基于层层自组装技术的燃料电池用碳纸涂层的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤一，将碳纸用等离子接枝仪进行表面处理，使其表面带负电，作为后序组装的基底材料； 步骤二，处理后的碳纸基底浸入支化聚乙酰亚胺bPEI水溶液中I一30分钟取出后用蒸馏水冲洗； 步骤三，将经过步骤二处理的碳纸基底浸入聚丙烯酸PAA水溶液中I一30分钟，取出后用蒸馏水冲洗； 重复步骤二和步骤三，反复在面膜基底表面组装多层聚电解质，从而得到具有自修复能力的碳纸保护涂层。
【专利摘要】本发明公开了一种基于层层自组装技术的燃料电池用碳纸涂层的制备方法，步骤一，将碳纸用等离子接枝仪进行表面处理，使其表面带负电；步骤二，处理后的碳纸基底浸入到支化聚乙酰亚胺(bPEI)水溶液中1-15分钟，取出后用蒸馏水冲洗；步骤三，将经过步骤二处理的碳纸基底浸到聚丙烯酸(PAA)水溶液中1-15分钟，取出后用蒸馏水冲洗；重复步骤二和步骤三，反复在面膜基底表面组装多层聚电解质，从而得到具有自修复能力的碳纸保护涂层。本发明可以方便且低成本的制备出具有自修复能力的碳纸保护涂层，该碳纸涂层不但能够作为碳纸的保护层，在使用过程中减缓碳纸的氧化程度，延长碳纸的使用寿命，提高燃料电池的循环稳定性。
【IPC分类】H01M4/96, H01M4/88, H01M4/86
【公开号】CN105047955
【申请号】CN201510283165
【发明人】葛丽芹, 朱彦熹, 赵志刚, 尤欣敏
【申请人】东南大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年5月28日