一维炭材料一体式气体扩散层的制备及其在直接甲醇燃料电池中的应用（英文）

气体扩散层(GDL)是燃料电池(FCs)膜电极组件(MEA)的重要组成部分,起到支撑催化层、收集电流、对物料进行传输及再分配的作用。传统的扩散层一般以炭纸或炭布为基底,但炭纸价格昂贵、缺乏柔韧性、孔结构单一,为了更好地进行气液相管理,需再涂覆上一层微孔层(MPL)。本文以炭纤维(CF)为骨架,复合多壁碳纳米管(MWCNT),并添加一定量的聚四氟乙烯(PTFE)作为粘结剂和憎水剂,通过减压抽滤成型法一步制成新型一体式气体扩散层(GDL/CNT-CF)。扫描电子显微镜(SEM)结合导电性、气体渗透性及孔隙率等表征表明,一体式扩散层中高导电性的碳纳米管在炭纤维中呈梯度分布,亦利于电子传输,形成的多级孔隙结构,亦利于物料分配,均匀分布的PTFE有助于水分排除,从而取代了由炭纸和微孔层构成的传统扩散层。将其应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)的阴极或同时作为阴阳极扩散层时,具有优异的传质性能,单电池的最大功率密度相比商品扩散层分别提高了20%和35%。     

(NH4)2HPO4浸渍处理对碳布性能与结构的影响

以人造棉布为原料,经(NH4)2HPO4浸渍后炭化、石墨化处理制备柔性的碳布材料。研究了浸渍液对人造棉布炭化历程的影响,以及碳布收率、电阻率、拉伸强度、断裂伸长率的变化规律。结果表明,经过(NH4)2HPO4的浸渍,碳布的炭化收率从11.3%提高到31.3%;电阻率有明显下降,石墨化后碳布的电阻率降为0.068Ω.cm;断裂伸长率为14.7%。同时具有良好的透气性能和一定的强度,可用于燃料电池气体扩散层材料。     

酚醛树脂对碳布性能的影响

以磷酸氢二铵改性人造棉为基体材料,酚醛树脂为改性剂,经喷涂、炭化制备燃料电池扩散层材料用碳布。研究了酚醛树脂含量对碳布强度、电阻率、厚度和密度的影响,并通过XRD谱图和SEM图片对碳布进行微观结构分析,探讨了酚醛树脂对碳布强度和电阻率的影响机理。结果表明,酚醛树脂在提高碳布强度的同时降低其电阻率。当酚醛树脂添加量为54%时,碳布强度提高40%,体电阻率降低至0.06Ω·cm。     

以不同PAN系炭纤维布制备燃料电池气体扩散层之研究

采用石墨化PAN系炭纤维布制备了高分子电解质燃料电池气体扩散层。通过电学实验、X-ray绕射与元素分析考察了所制气体扩散层的性能。结果表明：随热处理温度的升高，气体扩散层的电阻率降低，L2增加，d（x）2减小。高温处理后的炭纤维布作为高分子电解质燃料电池气体扩散层显示了较高的电池效能。     

聚苯胺-玉米苞叶纤维复合材料基柔性自支撑电极的制备及其电化学性能

为满足可穿戴电子设备日益提升的要求,低成本、高性能柔性超级电容器成为研究的热点。在玉米苞叶纤维(CHF)基材表面原位生长聚苯胺(PANI),继而以聚乙烯醇/硫酸(PVA/H₂SO₄)作为凝胶,通过简单的冻融法制备聚苯胺-玉米苞叶纤维柔性自支撑电极(PANI-CHF-GEL)。PANI-CHF-GEL显示出优异的力学性能(断裂强度为259 kPa,断裂伸长率为121%)和较好的韧性(断裂能为0.167 MJ·cm^-3)。采用PVA/H₂SO₄凝胶作为电解质组装得到的PANI-CHF-GEL//PANI-CHF-GEL对称固态超级电容器具有优越的电化学储能性能：在3.00 mA·cm^-2的电流密度下,面积比电容高达1 789.74 mF·cm^-2,功率密度为0.34 mW·cm^-2,能量密度为3.51 mW·h·cm^-2。此外,该器件还显示出良好的柔性,弯曲90°时仍能保持其初始性能,表明了其在...     

碳布用于锂离子电池三维一体化柔性正极的可行性研究

研究碳纤维编织布用于锂离子电池三维一体化正极的可行性,对三种经过热处理碳布的石墨化程度进行定性分析和定量计算。以锂金属作为对电极,石墨化的碳布电极在0.1～0.5 V的电压下首次放电比容量分别为83.6,94.5mAh·g^-1和115.2 mAh·g^-1,经过50周次循环充放电后比容量分别为55.0,80.0 mAh·g^-1和88.0 mAh·g^-1左右。将石墨化的碳布负载LiFePO4后,电极的首次放电比容量分别为73.2,109.5 mAh·g^-1和130.2 mAh·g^-1。对于石墨化程度为76.02%的碳布,经过50周次循环充放电后比容量稳定在90.0 mAh·g^-1左右,综合电化学性能较好,更适合用于锂离子电池的一体化柔性正极。通过建立LiFePO4颗粒与碳纤维之间相互作用的力学模型,探讨一体化正极的力学性能、电学性能和电化学性能之间的关系。将碳布用于锂离子电池一体化正极,可以简化锂离子电池的常规生产过程,革新其生产方式。     

表面处理对碳纤维基β-PbO_2电极性能的影响

对碳纤维布进行表面处理,采用电沉积法制备碳纤维基β-PbO_2电极材料,并对碳纤维基β-PbO_2电极材料的导电性能、电化学性能和耐腐蚀性能进行研究。结果表明:通过表面处理,能够显著改善碳纤维的表面粗糙度和化学活性。热空气氧化温度为400℃时,碳纤维表面的化学活性最高;热空气氧化和液相氧化双重氧化发现,碳纤维表面的化学活性进一步提高,表面的沟槽和凹坑更为明显,经此表面处理条件后制备的碳纤维电极界面电阻率最低为6.19×10^-5Ω·m,导电性能和电化学性能最好,耐腐蚀性能最强,腐蚀速率仅为1.44×10^-3g·cm^-2·h^-1,由此说明,不同表面处理条件能够极大地影响碳纤维电极材料界面结合性能,从而影响碳纤维基β-PbO_2电极材料的导电性能、电化学性能和耐腐蚀性能。     

炭化过程施压对气体扩散层用碳纸结构与性能的影响

碳纸作为一种最常用的质子交换膜燃料电池气体扩散层的基底材料,其良好的性能是保证电池稳定运行的前提.为改善碳纸的结构与性能,使其更好地满足燃料电池的性能要求,本研究通过在炭化阶段压制不同数量的石墨板来调控施加的压力,分析不同压力下碳纸微观结构的演变规律及其作用机制,同时研究施加压力对碳纸的平面电阻率、孔径分布、表面粗糙度及力学性能的影响.结果表明:施加压力有利于抑制树脂炭的开裂,减少裂纹的产生,并可在一定程度上提高碳纸的石墨化程度.此外,随着施加压力的增加,碳纸的表面粗糙度逐渐降低,平均孔径和最大孔径逐渐减小.当施加压力为3600 Pa时,与未施加压力相比,碳纸的平面电阻率从17.15 mΩ·cm下降到12.79 mΩ·cm,同时拉伸强度和弯曲强度分别提高150％和82.9％.     

适用于微型燃料电池扩散层的多孔硅的可控制备工艺研究

多孔硅以其多孔结构及大的表面体积比等特点被认为是可在基于MEMS技术的微型燃料电池中代替碳 纸、碳布作为扩散层的材料. 本文考虑传统碳纸、碳布作为扩散层的要求, 并结合多孔硅材料的特点, 选用n<100>(0.04～0.15 Ω·cm)单晶硅进行了多孔硅制备工艺的研究; 考察了腐蚀液的浓度、电流密度和氧化处理时间对多孔硅的孔隙率、孔深度及氧化速率 的影响, 实现了多孔硅的可控制备. 孔隙率为40%、孔径为350～700nm、厚度为60μm的多孔硅膜电极经循环伏安测定, 在0.5mol/L H₂SO₄溶液中, 表现出与碳纸相近的电活性, 显示了潜在的应用价值.     

UVA紫外辐射对室内碳纤维增强环氧树脂基复合材料性能的影响

研究了Ultraviolet A(UVA)紫外辐射对碳纤维增强环氧树脂基复合材料产生的影响。测量和分析了从窗户照射到室内太阳光和日光灯辐射的UVA紫外线辐照度, 研究了碳纤维增强环氧树脂基复合材料经辐照度为200 μW·cm^-2的UVA紫外灯辐射处理后的力学性能变化, 并通过XPS、 接触角、 纳米压痕、 原子力显微镜(AFM)测试方法研究了其表面性能变化。结果表明: 春夏季节晴天室内太阳光紫外辐照度在14点时达到最大值, 距离窗户0 m处最大值为375 μW·cm^-2, 1 m处最大值迅速降至30 μW·cm^-2; 对功率40 W的日光灯, 距离日光灯0 m处, 紫外辐照度为87.3 μW·cm^-2, 1 m处快速降至5.4 μW·cm^-2; 经过45天的紫外辐射, 碳纤维增强环氧树脂基复合材料的层间剪切强度、 弯曲强度和拉伸强度无明显变化; 碳纤维增强环氧树脂基复合材料表面发生氧化反应, 表面硬度和粗糙度变大。     

碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用

具有高效和长循环的空气正极对构建高性能的可充电锌-空气电池(ZABs)至关重要。在此,首次采用水油两相水热合成方法,成功制备了一种双功能氧电催化剂Co₃(OH)₂(HPO₄)₂(Co-OH-HPi)。研究表明：Co-OH-HPi电催化剂具有较大比表面积和Co (Ⅲ)活性位点,展示出优异的ORR/OER双功能电催化性能。将该材料作为空气正极组装成ZABs后,具有较小的双功能氧电催化剂电势间隙(ΔE=0.81 V),1.42 V的高开路电压,在10 mA·cm^-2电流密度下816 mAh·g_Zn^-1的大放电比容量和150 mW·cm^-2的高峰功率密度。该研究提供了一种新颖的策略来合成优异的双功能电催化剂并应用于先进的锌-空气电池。     

具有智能电致变色功能的镍钴双金属氢氧化物电极基柔性镍锌电池用于可视化监测剩余电量（英文）

具有电化学变色功能的柔性电池在智能电子领域显示出巨大的应用潜力.然而,具有可视化电量预警功能的镍锌电池目前尚未见报道.在此,我们设计了一种用于柔性镍锌电池的电致变色镍钴氢氧化物/镍/氧化铟锡(NiCo BH/Ni/ITO)柔性电极.通过优化Ni层厚度,电极在电流密度为0.1 mA cm^-2时,着色效率为5 9.8 9 cm²C^-1,容量为7.1 5μA h cm^-2.相应组装的电致变色镍锌电池功率密度为160μW cm^-2时,能量密度为12.69μW h cm^-2,优于部分文献报道的透明柔性超级电容器和电致变色电池.值得注意的是,组装的镍锌电池在充放电过程中显示出可逆的颜色变化,提供了一种可视化监测电池剩余电量的新功能.     

阳极碳纸叠加层数对微生物燃料电池产电性能的影响

以大肠杆菌(E.coli)为微生物催化剂、葡萄糖为燃料、次甲基蓝(C_(16)H_(18)CLN_3S·3H_2O)为电子煤介体构建双室微生物燃料电池(MFC),通过考察开路电压、功率密度、循环伏安、交流阻抗、极化曲线的变化规律,研究不同碳纸叠加层数对电池产电性能的影响。试验结果表明:在1000Ω外阻条件下,以1、3、5片碳纸叠加作为电池阳极,得到MFC最大输出功率密度分别为252.5mW/m~2、358.7mW/m~2和674.65mW/m~2,电池内阻分别为400Ω、300Ω和200Ω。说明阳极比表面积随着碳纸叠加层数增加而增大,为E.coli提供了更大的成膜空间,为产电菌的附着提供了有利条件,同时内阻减小,MFC输出功率密度大幅提高。     

缺陷g-C3N4优化催化层的磷酸分布以提高高温质子膜燃料电池的性能(英文)

磷酸作为质子传导介质对于高温质子膜燃料电池是至关重要的但调节磷酸分布来减少电催化剂中毒及保持高反应性的稳定性仍面临挑战.在本工作中,缺陷g-C₃N₄被分散到Pt/C催化层中促进磷酸的分布来提高催化剂的本征活性表达.由于缺陷g-C₃N₄修饰,低铂负载量在阳极(0.20 mg_Ptcm^-2)和阴极(0.40 mg_Ptcm^-2)条件下,高温质子膜燃料电池呈现一个高的峰功率672 mW cm^-2和高反应性(高于620 mW cm^-2),且具有3500个加速循环的优越稳定性,该性能优于目前报道的结果.本工作首次揭示了缺陷g-C₃N₄与磷酸的酸碱相互作用可调节催化层的磷酸分布,从而提高催化剂的本征活性表达和利用率.     

石墨粉对PEMFC用炭纸性能的影响

以干法成型技术所制备的聚丙烯腈基炭纤维纸作为炭纸坯体,添加有石墨粉的酚醛树脂溶液作为浸渍剂,通过浸渍、模压固化和热处理工艺制得PEMFC用炭纸。结果表明,随石墨含量的增加,炭纸的厚度、孔隙率逐渐增加,透气性、导电能力逐渐增强,密度和抗拉强度呈先增加后降低的变化规律,当石墨粉质量分数达到5%时炭纸的综合性能最佳,其基本性能参数为:厚度0.23 mm,密度0.53 g·cm-3,气透率2 080 mL·mm·cm-·2h-·1mmAq-1,孔隙率66%,平面电阻率2.6 mΩ·cm-1,拉伸强度19.4 MPa,符合质子交换膜燃料电池气体扩散层对炭纸的要求。采用Pt载量为0.5 mg·cm-2的MEA,在H2/Air=1.2/2.5、温度65℃、常压条件下进行单体电池性能测试,电流密度为800 mA·cm-2时输出电压为0.65 V,电池输出性能较好。     

碳纤维预制体结构对CVI-GSIC/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布，通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体，再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration, CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration, GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。研究了碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明，由纤维体积分数与C/C素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m²),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道，最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高，其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa, 51.75 GPa, 11.32 MPa·m^1/2。初始预制体结构和C/C中间体结构的综合调控是CVI-GSI联用工艺制备高性能C/C-SiC复合材料的关键。     

无碱活化的生物质衍生碳：一种适应于多种金属离子的电容脱盐电极材料

电容脱盐是一项绿色环保、低成本、低能耗的新技术,其中,研发高性能的电极材料是该技术的关键所在。本工作以低成本的生物质为原料,采用无需强碱或熔融盐等活化剂的绿色方法制备了介孔生物质衍生碳(NC),制备过程使用的化学试剂均可回收并能再次使用,符合当下绿色发展的理念。将制得的衍生碳作为电极材料应用于电容脱盐领域,研究结果表明,生物质衍生碳中丰富的杂原子缺陷和表面官能团赋予其优异的亲水性和赝电容特性。高通透介孔结构的生物质衍生碳不仅能够有效脱除盐水中的NaCl(在1.2 V的电压下,NC对NaCl的吸附量可以达到49.3 mg·g^-1),而且对Cr³⁺、Co²⁺等金属盐离子也有很好的脱除效果(在20 min内可脱除78.8%盐离子)。本研究可为电容脱盐领域电极碳材料的制备提供一种绿色和谐的方案。     

基于生物质制备活化三维多孔碳及其在微生物燃料电池中的应用

微生物燃料电池是一种能把污水中有机物蕴含的化学能直接转换成电能的装置。目前,相对低的输出功率密度限制了它的应用。开发高性能的阳极材料是解决途径之一。基于生物质秸秆利用Hummers氧化法结合抗坏血酸还原法制备了活化三维多孔碳阳极,用扫描电子显微镜观察了所制备的材料的形貌、发现活化过程可以产生许多大小不一的孔结构,可有效帮助传质扩散。交流阻抗谱、循环伏安测试表明,活化可以大大提高三维多孔碳的电化学性能,基于活化三维多孔碳3DPC阳极所制备的微生物燃料电池(MFCs),最大功率密度可达到1184.5W/m~3,远远高于改性前(774.8W/m~3)。此研究为构筑新型三维碳基阳极提供了新思路和新方法。     

扩散层PTFE载量对被动式直接甲醇燃料电池性能的影响

在被动式直接甲醇燃料电池(DMFC)的扩散层中,处理好水、气、电子的通道对电池性能有着十分重要的作用.本研究分别用质量百分比浓度为10%、20%、30%、40%的PTFE乳液进行疏水处理的碳布组装成被动式DMFC以及测试系统.通过稳态电流-电压极化曲线法和交流阻抗法,研究了扩散层中的不同PTFE载量对被动式DMFC电化学性能的影响.研究结果表明,电池开路电压随着阳极扩散层中PTFE载量的增加而上升,电池内阻也随着扩散层中PTFE载量的增加而增加.在阳极,电池性能随着扩散层中PTFE载量的增加而下降,在阴极,用10%PTFE乳液处理的碳布对被动式DMFC性能表现最好.     

碳包覆介孔四氧化三铁纳米阵列:高性能Ni/Fe水相电池阴极材料

阴极材料的开发对于可充电水相电池的发展具有重要意义.本文通过自牺牲模板法和碳包覆法相结合制备了碳包覆介孔Fe₃O₄纳米阵列阴极材料(Fe₃O₄@C MNAs).得益于包覆碳层、介孔结构和纳米阵列结构的优异特性, Fe₃O₄@C MNAs电极表现出良好的倍率性能和优秀的循环稳定性.在组装的Ni/Fe电池器件中, Fe₃O₄@C MNAs表现出较高的能量密度及功率密度(在能量密度为213.3 W h kg^-1时功率密度为0.658 kW kg^-1和在功率密度为20.7 kW kg^-1时能量密度为113.9 W h kg^-1)和出色的循环稳定性(约5000次循环后保持81.7%).