中国石油大学学报·自然科学版杂志投稿格式参考范文：多级结构生物质碳布的制备及其燃料电池气体扩散层性能

　　氢燃料电池作为实现氢能向电能转换的关键载体，具备高效、无污染、无噪声、可靠性高以及对负载变化快速响应等优点。气体扩散层是氢燃料电池的关键部件之一，承担着均匀扩散气体、传导电子、排出水分、支撑电极结构等作用。为满足燃料电池需求，气体扩散层应具有高透气性、高导电性、高疏水性和一定机械强度，目前主要以高导电碳纤维为原料制成碳纸或碳布来制备，但存在原料成本及能耗高、疏水处理影响导电性和透气性等问题。生物质材料衍生的碳材料虽有成本优势，但传统碳化过程衍生的碳材料存在机械性能低、导电性差、无疏水性能等问题，无法满足气体扩散层性能要求。本文借助锆基化合物催化的化学气相沉积技术，通过简单的一步热处理过程，将纤维素棉布转化成碳纤维布，并测试其作为气体扩散层的燃料电池性能。

　　1.试验

　　1.1 试验试剂与仪器

　　药品与试剂：试验采用氯化锆(国药集团化学试剂有限公司)、商业 Pt/C 催化剂(质量分数 20%，SigmaAldrich 中国)、Nafion 溶液(质量分数 5%)、聚四氟乙烯分散液(质量分数 60%，Dupont 美国)、VulcanXC72R(质量分数 99.9%，Johnson Matthey)、甲醇(上海国药集团化学试剂有限公司)以及实验室自制的去离子水。

　　仪器：试验用到多种仪器，如电化学工作站 CS350H(武汉科思特仪器股份有限公司)用于电池电化学性能测试;Land 电池测试系统 CT - 2001A(武汉金诺电子有限公司)进行电池性能测试;手套箱 Lab2000(合肥科晶有限公司)提供无氧无水的实验环境;多晶粉末 X 射线衍射仪 X'PertPROMPD(荷兰帕纳科公司)分析材料物相及晶体结构等。

　　1.2 材料制备与表征

　　材料制备：将纤维素棉布剪成 5cm×5cm，用乙醇和去离子水反复清洗后烘干。把 0.324gZrCl4溶解在 10mL 乙醇中超声 15min 制成浸渍液，滴涂在干燥的棉布上，60℃烘干得到生物质碳布前体。将前体放入管式炉，先用氩气置换空气，在 5% 氢氩气氛(氢气体积分数 5%)、50mL/min 流速下，以 10℃/min 升温到 1000℃保持 1h，再以 10℃/min 升温到 1350℃，通入 5mL/min 甲烷气氛保持 1h，关闭甲烷降温得到 CVD - Zr - CC。同时制备对比样品，直接将清洗干燥的纤维素棉布按相同升温程序处理，通入甲烷的命名为 CVD - CC，到达 1350℃时不通甲烷的命名为 CC。另外采购日本东丽株式会社的商业化气体扩散层(TGP - H - 060)作为对比样 C - GDL。

　　材料表征：运用多种测试手段对材料进行表征。采用 X 射线衍射仪分析物相及晶体结构;拉曼光谱仪表征石墨化程度和碳材料缺陷;扫描电子显微镜观察微观形貌;透射电子显微镜细致分析形貌及金属组分;X 射线光电子能谱确定材料组成、元素含量及价态;压汞仪表征孔隙率和孔径分布;四探针电导率测试仪测量碳布表面电导率;水接触角测试仪 SDC350Z 测试碳布表面疏水性。

　　1.3 燃料电池性能测试

　　膜电极制备：把配制好的微孔层浆料用刮刀涂覆在碳布一面，350℃空气气氛下保持 30min，得到涂覆微孔层的气体扩散层。将其放在喷涂催化剂的质子交换膜(CCM，质子交换膜为 GoreM788.12，阴阳极催化剂负载量均为0.5mgPt⋅cm−2)两侧，在 120℃、300 N/cm2的压力下加热制成膜电极。

　　性能测试：将膜电极放在燃料电池测试夹具中测试。测试前阴阳极管道通氮气 30min，阳极通 50mL/min 氢气保持 1h。活化阶段，电池温度升至 60℃，保持 0.4V 恒压放电 24h 使 MEA 充分活化。单电池极化曲线测试时，阳极为 100mL/min 氢气(氢气发生器提供)，阴极为 70mL/min 氧气(纯氧气瓶提供)，阴阳极背压 0.05MPa。单电池阻抗测试由电化学工作站在 1MHz - 0.1Hz 频率范围、0.6V 电压下进行。测试 GDL 耐腐蚀性能时，恒电压放电(电压 0.6V)，电池温度 65℃，氢气流量 60mL/min，氧气流量 50mL/min。

　　2. 结果分析

　　材料结构与形貌：CVD-Zr-CC 具有良好柔性，可 180° 弯曲、卷绕、折叠而无结构退化。其 XRD 谱图显示纤维素完全碳化，且存在四方晶系和单斜晶系的ZrO2衍射峰;拉曼光谱中，其ID/IG比值低至 0.43 ，远低于对比样，2D 峰明显，表明 Zr 基化合物显著提高了碳材料的石墨化程度。SEM 和 TEM 分析显示，CVD-Zr-CC 保留了棉布纤维编织结构，单根纤维直径 10-20μm，表面生长着厚度约 17nm 的均匀碳纳米片，形成多孔阵列纳米结构，有助于电子传输和传质。而未经过 CVD 过程的 CC 纤维表面光滑，CVD-CC 纤维表面生成大量分布不均匀的碳颗粒和卷曲碳纳米管。此外，CVD-Zr-CC 表面碳纳米片主要由碳组成，Zr 元素主要存在于碳布内部。

　　材料性能：水接触角测试表明，CVD-Zr-CC 水接触角高达 151.76°，疏水性明显优于商业化气体扩散层，无需疏水处理。导电性测试显示，CVD-Zr-CC 平面电阻率低至 60.8mΩ・cm ，穿透电阻率在 1MPa 压力下低至 19mΩ・cm，导电性优秀。孔隙率方面，CVD-Zr-CC 孔隙率达到 76.83%，高于商业气体扩散层，且孔径主要分布在 10μm 以上，适合气体快速扩散。燃料电池性能：CVD-Zr-CC 作为气体扩散层的燃料电池极化曲线和功率密度曲线均优于 CVD-CC 和 C-GDL。在 0.6V 时进行电化学阻抗试验，CVD-Zr-CC 的电荷传输阻力、质量传输阻力和高频电阻更小。稳定性测试中，CVD-Zr-CC 的 i-t 曲线平稳，运行 20h 后仍无结构破损和内阻增加问题。

　　3. 结论

　　以纤维素棉布为原料，经简单一步热处理过程，成功制备出低成本、高性能的生物质碳布。该碳布由相互连接的微米级碳纤维构成，形成丰富孔道，孔隙率达到 76%。

　　通过锆基化合物催化的化学气相沉积法，在碳布纤维表面生长出分布均匀的高石墨化碳纳米片阵列，显著提升了生物质碳布的导电性。其平面电阻率为 60.8mΩ・cm ，穿透电阻率在 1MPa 压力下低至 19mΩ・cm，满足商业气体扩散层的导电性要求。在0.5mgPt/cm2的催化剂负载量下，以 CVD-Zr-CC 为气体扩散层组装的燃料电池，在1.2A/cm2电流密度时功率达到0.6W/cm2，超过相同条件下的商业化气体扩散层(0.58W/cm2)。且单电池运行过程中 i-t 曲线平稳，性能表现优异。

代鹏程;赵永鑫;田煜彬;田超凡;李 森;邢 涛;李 智;刘嘉仪;顾 鑫,中国石油大学(华东)新能源学院;山东能源集团有限公司;西安交通大学材料科学与工程学院;烟台大学环境与材料工程学院,202501