[发明专利]一种石墨烯复合碳纤维纸及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种石墨烯复合碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：利用化学镀在碳纤维表面镀上一层金属，生成碳纤维/金属复合物；利用气相沉积在碳纤维/金属复合物上生长出石墨烯，以生成石墨烯改性碳纤维；利用碳纸制作将得到的石墨烯改性碳纤维生成石墨烯改性碳纤维纸。本发明还涉及上述方法制备的石墨烯复合碳纤维纸及其用途。本发明的方法对单根碳纤维改性，跟其它类似技术相比，使石墨烯在碳纤维纸中的利用率最高，分散最为均匀。

技术领域

本发明涉及新材料制备及应用领域，特别涉及一种石墨烯复合碳纤维纸及其制备方法和应用。

背景技术

气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要部件，既起到了支撑催化层的作用，又是反应气体及生成产物水的扩散通道，很大程度上决定了燃料电池的性能。由于特殊的使用环境，对气体扩散层的性能提出了较高的要求，具体如下：1.接触电阻要小；2.有一定的机械强度、抗弯折及抗压缩性；3.有利于气体的输送及水的导出；4.电导率要高；5.对热的传递速度要快；6.较强的耐电化学腐蚀能力。

目前气体扩散层主要使用碳纤维为原料，依靠其较为优良的化学及热稳定性一定程度上满足了气体扩散层的需求，但机械强度、导热性能、导电性仍不能满足燃料电池日益提高的性能要求。

石墨烯为一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨，是目前发现的薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。石墨烯理论电导率可达106S/cm，理论比表面积可达2630m²/g，理论断裂强度可达130Gpa，导热系数可达5000W/(m·k)，是一种理想的碳纸材料。

公开号为CN107815926A的中国专利申请“一种高强度复合碳纸的制备方法”公开了在外电场力的作用下，以碳纳米管为骨架，骨架中引入高强度石墨烯，可大幅度提高碳纸的力学性能及导电性。但在实际制备过程中，该方法中用到的石墨烯分散液并非是纯石墨烯，而是添加了表面分散剂等，在电场力作用下，石墨烯并不能快速均匀地进入碳纳米管骨架中，得到的碳纸中石墨烯存在不均匀，从而导致强度不均匀。

授权公告号为CN207558942U的中国使用新型专利公开了使用碳纤维为衬底，并用碳纳米管掺杂，随后用石墨烯及PTFE进行包覆，制成的碳纸具备高电导率，优良的排水性能及稳定性。该方法中的石墨烯在碳纸中的存在形态并非均匀的单层石墨烯，不能利用石墨烯高的导电性能来提升碳纸高导电性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供石墨烯复合碳纤维纸及其制备方法和应用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本发明提出的一种石墨烯复合碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：利用化学镀在碳纤维表面镀上一层金属，生成碳纤维/金属复合物；

步骤二：利用气相沉积在碳纤维/金属复合物上生长出石墨烯，以生成石墨烯改性碳纤维；

步骤三：利用碳纸制作将得到的石墨烯改性碳纤维生成石墨烯改性碳纤维纸。

进一步地，其中步骤一中，所述碳纤维的直径为5-30μm，长度为0.5-300mm。

进一步地，其中步骤一中，所述金属选自铜、镍、铬、锡或其组合。

进一步地，其中步骤一中，所述金属的厚度为0.1-10μm。