一种钛双极板涂层材料的制备方法及应用

本发明涉及涂层材料领域，尤其涉及一种钛双极板涂层材料的制备方法及应用。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是氢能利用的重要方式，它具有清洁、高效、简易、低噪等特点，在电动汽车、固定发电站、无人机、潜艇等方面具有广阔的应用前景。双极板在质子交换膜燃料电池的重量与体积上占很大比例，且具有重大作用，它将反应物从表面的流场传输到膜电极组，收集电流，并将氧化剂与还原剂分隔开来。

2、双极板材料主要有三类：石墨、金属以及复合材料。其中，金属双极板具有导电性较好、成本低、易加工等优势，是双极板发展的主流材料，但金属的活泼性较强导致其耐腐蚀性能较差，且表面溶解的金属离子扩散至催化层会造成催化剂中毒。因此，需要对其进行表面改性来提高金属的耐蚀性，保证金属双极板足够长的寿命。与其他金属双极板相比，钛双极板具有耐腐蚀性较好、密度低、腐蚀产物对催化剂的毒性小等优点，在质子交换膜燃料电池(pemfc)中的研究与使用价值较高。但钛在酸性条件下产生的氧化膜与其本身的亲水性，导致其输出功率降低，运行过程中生成的水不能及时排出，导致双极板腐蚀发生的概率升高。因此，研发一种可提高质子交换膜燃料电池环境中抗腐蚀性能的双极板材料具有重大意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中钛双极板在质子交换膜燃料电池中输出功率降低，运行过程中生成的水不能及时排出，导致双极板抗腐蚀性能较差的技术问题，本发明提供了一种钛双极板表面石墨烯改性的掺锡氧化铟涂层，通过在钛基体表面镀上石墨烯改性的掺锡氧化铟涂层从而提高钛双极板的抗腐蚀性能。

2、为达到上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种钛双极板涂层材料的制备方法，至少包括如下步骤：步骤a、将铟源物质、锑源物质和锡源物质分别溶解，得铟盐溶液、锑盐溶液和锡盐溶液；

4、步骤b、将所述铟盐溶液、锑盐溶液和锡盐溶液按质量比为1-1.1:0.2-0.4:1混合均匀，得混合盐溶液；向所述混合盐溶液中加入稳定剂，静置陈化，得掺锑氧化铟锡溶胶；

5、步骤c、将硅烷偶联剂改性石墨烯粉加入所述掺锑氧化铟锡溶胶中，混合均匀，得钛双极板涂层材料。

6、优选的，所述改性石墨烯粉在钛双极板涂层材料中的质量浓度为0.1g/l-0.5g/l。

7、优选的，步骤b中，所述陈化时间为10h-24h。

8、优选的，步骤c中，所述混合采用超声方式混合，超声时间为0.5h-1.5h。

9、相对于现有技术，本发明提供的钛双极板涂层材料的制备方法，以铟源物质、锑源物质和锡源物质为共溶前驱物，通过加入稳定剂，得到均匀稳定的掺锑氧化铟锡溶胶，但仅有掺锑氧化铟锡并不足以将钛双极板基体表面的划痕及孔洞等缺陷掩盖完全，硅烷偶联剂改性石墨烯粉的掺入，填补了钛双极板基体表面涂层的微小孔隙以及后续因溶剂挥发而在涂层中产生的孔洞，使得表面涂层更为致密，且石墨烯对腐蚀介质的阻挡能力很强，形成物理阻隔层，防止水、氧气、卤素离子等的渗透，使涂层的抗腐蚀性更强，利用该涂层材料制备的钛双极板涂层可更大程度上阻止腐蚀性物质向基体内部扩散，提高了钛双极板在质子交换膜燃料电池中输出功率，且本发明利用超声的空化作用，在高能量下以高振荡的方式降低改性石墨烯的表面能，加速了石墨烯粉末在前驱物溶液中的扩散，促进了新相形成，通过控制颗粒的尺寸及分布从而达到改善分散效果的目的。

10、优选的，所述硅烷偶联剂改性石墨烯粉的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯粉加入n,n-二甲基甲酰胺中，分散均匀，加入硅烷偶联剂溶液，搅拌，于温度为80℃-100℃的条件下，微波反应3h-5h，固液分离，干燥，得硅烷偶联剂改性石墨烯粉。

11、优选的，所述硅烷偶联剂为kh-550。

12、优选的，所述硅烷偶联剂溶液的浓度为0.05mol/l-0.15mol/l，其与石墨烯粉的质量比为0.5-1:1。

13、优选的，所述分散采用超声操作，超声时间为0.5h-1.5h。

14、优选的，所述搅拌时间为30min-50min。

15、石墨烯具有优异的性质参数，但其稳定的化学性质导致它与其他材料的相容性差，大大限制了石墨烯的应用。本发明通过对石墨烯改性处理，利用硅烷偶联剂粘度低，表面张力小的特性，将金属化合物与石墨烯偶联结合，形成稳定的共价键。

16、优选的，所述铟源物质为无水氯化铟、氧化铟、甲醇铟、乙醇铟或异丁醇铟中的任意一种或多种。

17、优选的，所述锑源物质为三氯化锑、锑酸钠或锑酸钾中的任意一种或多种。

18、优选的，所述锡源物质为五水合四氯化锡、乙醇锡、丙醇锡或正丁醇锡中的任意一种或多种。

19、优选的，溶解铟源物质的溶剂为乙酰丙酮、乙二胺、乙醇、丁醇或异丙醇中的任意一种或多种。

20、优选的，溶解锑源物质的溶剂为酒石酸。

21、优选的，溶解锡源物质的溶剂为无水乙醇、丙酮、异丙醇或丁醇中的任意一种或多种。

22、优选的，所述稳定剂为乙酰丙酮、醋酸、盐酸、硝酸、二乙醇胺、三乙醇胺或丙二醇中的任意一种或多种。

23、优选的，所述稳定剂用量为铟盐溶液、锑盐溶液和锡盐溶液混合后溶液质量的0.5％-1.5％。

24、由于溶胶体系属于不稳定体系，稳定剂的添加可以与胶粒发生简单的配位作用形成保护外壳，将分散粒子包围，防止胶粒聚沉，在后续拉膜过程中，稳定剂可抑制溶胶在表面张力的作用下产生的收缩，避免了基体表面溶胶不均匀，成膜均匀性差的问题。同时，稳定剂还有助于后续热处理过程中提高薄膜致密度。

25、本发明第二方面提供了利用钛双极板涂层材料制备钛双极板涂层的方法，至少包括如下步骤：

26、步骤一、将经过预处理的钛基体浸入所述钛双极板涂层材料中，浸泡，提拉，干燥，得钛双极板一次涂层；

27、步骤二、重复上述步骤一3-5次，于惰性气氛下进行退火，得钛双极板涂层。

28、优选的，步骤一中，所述预处理为打磨、除锈、除油。

29、优选的，所述打磨为采用砂纸打磨，打磨时间为5min-15min。

30、优选的，所述除锈为采用浓度为0.1mol/l-0.2mol/l的盐酸溶液对打磨后的钛基体进行清洗除锈。

31、优选的，所述除油为采用质量比1:1-1.5的丙酮和无水乙醇混合溶液对除锈后的钛基体进行除油。

32、优选的，步骤一中，所述浸泡的具体的操作为将钛基体垂直浸入溶胶中，浸泡1min-2min。

33、优选的，步骤一中，所述干燥的具体操作为将涂完一层的钛基体双极板在室温下放置2h-3h，再将其置于烘箱中于110℃-130℃的温度下干燥1h-1.5h。

34、优选的，步骤一中，所述提拉速度为8mm/min-12mm/min。

35、优选的，步骤二中，退火温度为480℃-550℃，退火时间为1h-1.5h。

36、本发明提供了一种钛双极板涂层材料的制备方法及利用钛双极板涂层材料制备钛双极板涂层的方法。本发明采用溶胶凝胶法制备了改性石墨烯修饰的钛双极板涂层材料并利用该涂层材料对钛双极板进行表面改性，并对改性的钛双极板在模拟质子交换膜燃料电池环境中的相关性能进行研究，通过研究结果可知，本发明提供的改性后的钛双极板具备更优异的综合性能，解决了钛双极板在质子交换膜燃料电池中输出功率降低，以及双极板抗腐蚀性能较差的技术问题。