[发明专利]一种表面包覆复合薄膜的基底及其制备方法和应用

说明书

本发明属于氢能源技术领域，具体为一种不锈钢表面直接生长类金刚石‑垂直碳纳米管复合薄膜及其制备方法和应用。本发明所述的方法制备表面包覆类金刚石垂直碳纳米管复合薄膜的基底，在PECVD反应室中完成全部生长过程，样品被污染的可能性低，该方法简单，一步实验完成类金刚石薄膜和垂直碳纳米管的同时生长，不需要各种复杂设备；本发明制备的复合薄膜同时具有类金刚石和垂直碳纳米管结构，碳纳米管本身具有优异的导电性加之垂直结构能使得改性后的不锈钢表面达到超疏水效果，致密的类金刚石薄膜能有效防护不锈钢表面被腐蚀液体入侵，提高双极板的耐腐蚀性；表面包覆类金刚石垂直碳纳米管复合薄膜的不锈钢适用于加工低温环境下燃料电池的双极板。

技术领域

本发明属于氢能源技术领域，具体为一种不锈钢表面直接生长类金刚石-垂直碳纳米管复合薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

能源是人类赖以生存的物质基础，是社会可持续发展的重要保障。但是随着工业化的不断进步，能源问题成了当今社会不可避免的重要问题之一。目前，人类利用能源的主要方式是通过燃料把不可再生的化石燃料中化学能转化成所需的能量，而化石能源有限的储量和对环境造成的污染必将制约人类社会的健康发展。随着人们逐渐意识到传统的化石燃料带来的能源危机和环境危机，寻找代替传统能源的新型清洁能源成为世界各国应对挑战的当务之急。在太阳能、风能等可再生清洁能源为代表的新型能源中，氢能作为一种可再生清洁能源开始为各国政府和企业所关注，和传统能源给相比，氢能更适合现代人类社会对能源的要求。首先，氢能资源丰富，获取成本低廉；其次，氢能的发热值为142.351kJ·kg^-1,为传统汽油发热值的3倍；最后，氢能燃烧产物只有水和热，不会污染环境。

氢燃料电池是通过氧化还原反应将储存于氢燃料和氧化剂中化学能转化成电能的发电装置。因为燃料电池其具有的安全、高效、启动快、无污染、噪声小等特点，在电动汽车，固定电站，可移动电源等领域有着极其广泛的运用前景，其中在汽车领域的应用最为突出。但是想将其大范围运用于汽车领域时，将会面临更多的挑战。其中保证燃料电池在低温环境下正常自启动的问题引起相关研究者的广泛关注。

双极板是质子交换膜燃料电池中最主要的组成部分之一，其成本和质量在燃料电池中占据很大比重。不锈钢双极板以其良好的机械性能，优异的导电导热性，成本低，易成型等特点，被认为是石墨双极板最合适的代替者。但是在燃料电池工作环境中，不锈钢双极板表面会产生导电性较差的钝化膜，同时也易发生腐蚀电离出污染质子交换膜的金属离子。而且低温环境带来的双极板流道内结冰而阻塞气体传输的问题会致使电池自启动失败。所以在低温环境下，通过改性提高不锈钢双极板导电性，耐腐蚀性，疏水性和抗结冰性能显得尤为重要。在改性材料中类金刚石薄膜因为良好的致密性和良好的化学惰性可以用以提高双极板的耐腐蚀性。而垂直形貌的碳纳米管除了具有良好的导电性外还能使得双极板表面达到超疏水效果。所以把两者复合在一起的结构作为双极板改性薄膜有很好的研究前景。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中不足，而提供一种在不锈钢表面直接构筑类金刚石-垂直碳纳米管复合薄膜及其制备方法，提高不锈钢的导电性、耐腐蚀性、疏水性及抗结冰性能，用于加工低温环境下燃料电池的双极板。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种表面包覆类金刚石-垂直碳纳米管复合薄膜的基底的制备方法，基于等离子体增强化学气相沉积设备，所述方法包括如下步骤：

S1、取不锈钢作为基底；

S2、基底经丙酮、乙醇和去离子水依次超声预清洗后，放入等离子体增强化学气相沉积设备的反应室内，将反应室抽真空后往反应室中通入氢气，打开射频，产生的氢离子体再次清洗基底表面；

S3、基底清洗完成后关闭射频，继续往反应室中通入氢气，同时升高反应室内温度至600℃～700℃，温度到达后往反应室内通入甲烷，打开射频，直至基底表面生长出致密的类金刚石薄膜；