微細多孔碳纖維的制備及其在燃料電池中的應用.pdf

1、多孔碳材料由于其發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)及導電、耐高溫、傳熱、耐酸堿等優(yōu)越的物理化學性能而受到人們廣泛關注和應用，其中微細多孔碳纖維作為一種新的多孔碳材料，集多孔和納米尺度于一身，可以期待其在應用中表現(xiàn)出更佳的性能。
　　本論文選用一種簡便新穎的微細多孔碳纖維制備方法——聚合物共混技術與靜電紡絲技術相結(jié)合，成功制備出微細多孔碳纖維。將制備得到的碳纖維與商業(yè)化鉑炭催化劑相混合，制備出具有復合碳載體結(jié)構(gòu)的鉑基催化劑，并著重對電化學催化活性及效率

2、進行了討論和研究。課題主要工作包括以下幾個方面：
　　1.以聚丙烯腈(PAN)作為碳前驅(qū)體聚合物(CPP)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為熱解聚合物(TDP)，共同溶解于 N, N-二甲基乙酰胺(DMAc)中，經(jīng)靜電紡絲制備納米纖維氈。利用SEM觀察共混原絲纖維氈的表面形貌，統(tǒng)計其直徑及不均率，討論紡絲液濃度、靜電場電壓、進給推速、接收極距等參數(shù)對纖維形貌及直徑的影響，獲得優(yōu)化的電紡工藝參數(shù)，即以DMAc為溶劑，濃度為10wt.

3、％，推速為15μL/min，靜場電壓為18kV，接受極距為18cm，所得纖維平均直徑為199nm，不均率約為2.53%。
　　2.在優(yōu)化工藝下制備了一系列PAN/PMMA(70/30、80/20、90/10、100/0)共混纖維膜和PAN/POSS(98/2、96/4、94/6)膜。發(fā)現(xiàn)隨著PMMA含量的增加，共混纖維直徑相應減小，表面粗糙程度增加；POSS的摻入，加大了纖維表面粗糙度，而纖維直徑未有明顯變化。對PAN/PMMA氈

4、膜的動態(tài)力學分析表明損耗峰隨 PMMA加入移向高溫，同時峰變寬。
　　3.不同含量配比的PAN/PMMA共混原絲纖維氈丙酮浸漬處理后的表面形貌表明，纖維中的PMMA相被刻蝕去除，表面均出現(xiàn)了孔洞，且隨著PMMA在共混纖維中含量的上升，這些孔隙逐步變多、變深、變大，且呈圓柱狀；同時發(fā)現(xiàn)，PAN/PMMA纖維經(jīng)丙酮處理后纖維直徑變小，而且隨著PMMA含量的增加，纖維直徑減小的幅度增大。
　　4.由PAN/PMMA共混纖維經(jīng)預氧化

5、和炭化后成功制得了微細多孔碳纖維，纖維直徑發(fā)生明顯減小；隨著共混原絲中PMMA含量的上升，微細多孔碳纖維的表面粗糙度和孔洞明顯增加。預氧化和炭化處理后，由PAN/POSS共混纖維也成功制備出了微細多孔碳纖維，纖維中孔洞結(jié)構(gòu)明顯，且隨著POSS含量的增加，纖維斷面上孔洞數(shù)量增多，孔徑分布變得更加均勻。
　　5.通過對不同炭化溫度下微細多孔碳纖維樣品的拉曼光譜和XRD分析，發(fā)現(xiàn)炭化溫度提高，所得微細多孔碳纖維石墨化程度增加，石墨結(jié)構(gòu)趨

6、于完善，逐步向三維有序石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，纖維內(nèi)部石墨晶相結(jié)構(gòu)趨于規(guī)整，薄膜電阻率越低；碳化溫度為1400oC時，薄膜電阻率已達到10以下為7.92mΩcm，具有優(yōu)良的導電性。由PAN/POSS制得的微細多孔碳纖維的電阻率在19.98～26.18mΩcm。
　　6.利用制得的微細多孔碳纖維與商品化鉑炭催化劑(HiSPEC4000)復合得到具有復合碳載體結(jié)構(gòu)鉑基催化劑CCS-20，通過對不同催化劑JM-20、JM-40與CCS-20的循環(huán)

7、伏安測試和電化學活性表面積(ECSA)計算分析表明，CCS-20的ECSA比JM-20高出了將近300cm2/mg-Pt。比同為HiSPEC4000的鉑炭催化劑JM-40高出了一倍，達到1255.8cm2/mg-Pt。同時，線性電勢掃描和陰極氧還原反應(ORR)動力學參數(shù)表明，催化劑CCS-20的起峰電位、半波電位和動力學電流密度為0.1mA/cm2時電極電位分別為0.964V、763mV、0.900V，均比JM-20和JM-40超前許

8、多。充分說明微細多孔碳纖維的加入有效提高了催化劑的活性和ORR動力學速率。
　　7.由催化劑CCS-20組裝成的膜電極相比于JM-20、JM-40在單電池性能測試中展現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。CCS-20組裝的膜電極功率密度比JM-20和JM-40分別高出24.8%和52.3%，達到165.4mW/cm2。這是由于隨著微細多孔碳纖維的加入，在電極結(jié)構(gòu)中構(gòu)筑了更好的電子傳輸通道從而有效降低歐姆極化；同時微細多孔碳纖維以短纖的形式在電極結(jié)構(gòu)中