[发明专利]基于层层自组装技术的燃料电池用碳纸涂层的制备方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

层层自组装技术(Layer-by-Layerselfassembly)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。

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。

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

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。

技术方案：本发明的具体技术方案如下：

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。

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：

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1—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1—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。

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。

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。

具有以下优点：

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。

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。