一种质子交换膜燃料电池用的具有多壁无序结构碳纳米管、膜电极及制备方法与应用与流程

技术特征：
1.一种质子交换膜燃料电池用的具有多壁无序结构碳纳米管的制备方法，包括磁控溅射工艺和化学气相沉积，其特征在于：所述磁控溅射工艺用来制备颗粒大小均匀分布的fe纳米颗粒生长基底，所述化学气相沉积用来制备具有多壁无序的碳纳米管薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射工艺包括以下步骤：(1)衬底的氧化处理；(2)磁控溅射工艺镀al2o3缓冲层；(3)磁控溅射工艺在所述al2o3缓冲层上镀fe催化剂前驱体，得fe
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al2o3薄膜；(4)fe
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al2o3薄膜退火处理，得到fe纳米颗粒生长基底。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述衬底的氧化处理包括：以800℃～900℃的高温处理衬底表面，然后依次用丙酮，乙醇和去离子水对衬底进行超声处理；步骤(1)所述衬底为硅片；步骤(2)所述磁控溅射工艺为磁控溅射系统的射频溅射功能；步骤(3)所述磁控溅射工艺为磁控溅射系统的直流溅射功能；步骤(4)所述fe
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al2o3薄膜的退火处理包括以下步骤：在700℃～750℃下恒温处理10～20min，然后升温至目标温度800℃～850℃，继续恒温处理3～6min，即可得到fe纳米颗粒生长基底；步骤(2)和步骤(3)所述磁控溅射工艺需抽取空气，保证背底真空度为2.1
×
10
‑4pa～7.0
×
10
‑4pa；步骤(4)所述退火处理的升温期间保持真空泵的开启，以维持2.1
×
10
‑4pa～7.0
×
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‑4pa低真空水平。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述化学气相沉积包含以下步骤：(a)活化预处理：将所述fe纳米颗粒生长基底置于氢气的气流环境中，对fe纳米颗粒进行还原活化；(b)碳纳米管的生长：将步骤(a)制备的还原活化后的fe纳米颗粒生长基底置于氢气、氩气、乙炔气体的气流环境中，待沉积时间15～25min后，停止通入乙炔和氢气，以氩气作为保护气体直到炉体自然冷却至室温。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(a)所述氢气还原活化的时间为3～5min；所述氢气的气体流量为40
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60sccm；步骤(b)所述氢气、氩气、乙炔气体的总气体流量为130～160sccm。6.权利要求1
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5任一项所述的制备方法制备的质子交换膜燃料电池用的具有多壁无序结构碳纳米管。7.利用权利要求6所述的碳纳米管制备膜电极的方法，其特征在于：包括以下步骤：(a)预氧化：将所述具有碳纳米管的衬底，在空气氛围下，升温至200℃～250℃，保温8～10min；(b)喷涂nafion电解质溶液：将步骤(a)预氧化处理过的碳纳米管表面喷涂一层质量分数为4～10wt.％的nafion溶液；(c)预压与保压：将负载有催化层的质子交换膜和步骤(b)处理后的具有碳纳米管的衬底以60～80℃预热4～6min；待干燥后，将衬底具有碳纳米管的表面朝下，与质子交换膜的
电极催化层一侧相贴合，沿法向施加1～1.5n cm
‑2的压力，在50～80℃下保压15～20min；(d)移去硅片：待步骤(c)保压结束后撤去压力，用镊子揭去硅片基底，获得覆盖有催化层及微孔层的膜电极。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(b)所述nafion溶液的流量为8～10μl s
‑1，体积为40～60μl，喷涂厚度为40～50μm；步骤(b)所述nafion溶液的质量分数为2％～5％。9.权利要求7或8所述的方法制备的膜电极，其特征在于：所述碳纳米管作为微孔层的厚度为30～60μm。10.权利要求9所述的膜电极在制备质子交换膜燃料电池中的应用。

技术总结
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池用的具有多壁无序结构碳纳米管、膜电极及制备方法与应用。所述具有多壁无序结构碳纳米管的制备包括磁控溅射工艺和化学气相沉积，所述磁控溅射工艺用来制备颗粒大小均匀分布的Fe纳米颗粒生长基底，所述化学气相沉积用来制备具有多壁无序的碳纳米管薄膜。本发明制备得到的碳纳米管具有多层微孔结构，具备更好的疏水和电子传导性能，同时解决阴极排水的问题。较大的长径比有利于提高电导率，降低阴极的欧姆阻抗。本发明利用转移压印技术将制得的碳纳米管微孔层转移到质子交换膜上的催化层表面以替代传统微孔层；可以通过调整Nafion溶液的含量来提高转印效率，结合碳纳米管微孔层能显著提升燃料电池性能。升燃料电池性能。升燃料电池性能。


技术研发人员：袁伟 柯育智 杨自然 庄梓译 林惠铖
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2021.07.06
技术公布日：2021/11/23