CN114456676A - 一种氢氧燃料电池金属电极保护涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢氧燃料电池金属电极保护涂层的制备方法。该方法是通过湿化学法将多巴胺（DA）聚合在碳化钛（MXene）表面形成PDA‑Mxene填料，再与环氧树脂均匀混合制成兼具导电和防腐功能的保护涂层。本发明获得的涂层具有良好的导电性和防腐蚀性能，在氢氧燃料电池不锈钢双极板表面具有良好应用前景。

Description

一种氢氧燃料电池金属电极保护涂层的制备方法
技术领域
本发明属于防护涂料技术领域，具体涉及一种氢氧燃料电池金属电极保护涂层的制备方法。
背景技术
随着传统能源包括煤、石油等的消耗日益增大，环境保护和能源危机已成为全世界共同的难题。氢氧燃料电池作为以绿色能源为主的能量转换装置，不仅具有高的能量转化率，并且还环保无污染。然而，质子交换膜燃料电池伴随实际车况变化会经历燃料供应、湿度、温度、电流、电压等复杂循环过程，造成燃料电池的电极衰减加速。
氢氧燃料电池传统石墨烯双极板虽然具有高的导电性和腐蚀性能好等特点，但以下缺点不适用于批量生产：（1）脆性物质，已造成组装难度，厚度不易做薄；（2）一般烧结成多孔性版，需添加添加物；（3）石墨化时间长，机械加工难，价格昂贵。
氢氧燃料电池的金属双极板虽然具有良好的电、热导体；机械性能佳，强度高；阻气性好；无孔性等优点，但易发生腐蚀，需要表面改性。
发明内容
针对目前氢氧燃料电池的电极易损耗的问题，本发明提供了一种氢氧燃料电池金属电极保护涂层的制备方法，通过湿化学法将多巴胺（DA）聚合在碳化钛（MXene）表面形成PDA-Mxene填料，再将PDA-MXene引入环氧树脂涂层中，从而提升涂层的耐腐蚀性。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种氢氧燃料电池的电极保护涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将200-500 mg MXene加入到100 mL去离子水中，超声分散；
步骤2，将100-400 mg盐酸多巴胺加至步骤1的混合溶液中，剧烈搅拌1 h，在此期间，加入Tris-HCl溶液调节溶液pH至8-9；
步骤3，将步骤2的体系在黑暗条件下连续搅拌反应24-48 h；
步骤4，将得到的悬浮液在5000-8000 r/min离心分离5 min，用去离子水离心洗去未反应的试剂，最后，将所得固体真空干燥24 h；
步骤5，将环氧树脂、N,N-二甲基甲酰胺和步骤4制得的固体按照100g：10mL：1g的比例分别量取，先将固体与N,N-二甲基甲酰胺混合后超声分散10 min，然后往该体系中加入环氧树脂继续超声分散10 min，随后用胶头滴管吸取该体系在钢片上滴加0.4-0.7 g，用线棒从同一方向均匀辊涂制成涂层；
步骤6，将所制得的涂层放入干燥箱中80-100℃干燥20 min。
针对目前氢氧燃料电池的电极易损耗的问题，本发明提出以环氧树脂基础树脂，配合PDA-MXene作为填料制备氢氧燃料电池的电极保护涂层。本发明在微碱性的条件下将DA自聚合在MXene表面得到MXene-PDA，接着将MXene-PDA作为填料与环氧树脂结合涂装在304不锈钢双极板上。
本发明的有益效果是：（1）MXene的高比表面积和PDA广泛粘附性让PDA尽可能多的黏附在MXene表面，加强了MXene的阻隔效应；（2）PDA的二次反应性能够代替MXene被腐蚀，加强了防腐蚀性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。
实施例1
（1）将500 mg MXene加入到100 mL去离子水中用超声机超声分散0.5 h；
（2）将250 mg盐酸多巴胺放入，剧烈搅拌1 h，在此期间，将25 mL的50 mM Tris-HCl溶液滴加到溶液体系中，将pH调至8.5；
（3）将步骤2的体系在黑暗条件下连续搅拌反应24 h；
（4）将得到的悬浮液5000 r/min离心分离5min，用去离子水离心洗去未反应的试剂。最后将所得固体真空干燥24 h；
（5）取MXene-PDA0.01 g，加入DMF1.5 mL后超声分散10 min，然后往该体系中加入1 g环氧树脂继续超声分散10 min，随后用胶头滴管吸取该体系在钢片上滴加6滴，用线棒从同一方向均匀涂平；
（6）将所制得的涂层放入干燥箱中100℃干燥20 min。
实施例2
（1）将500 mg MXene加入到100 mL去离子水中用超声机超声分散0.5 h；
（2）将250 mg盐酸多巴胺放入，剧烈搅拌1 h，在此期间，将25 mL的50 mM Tris-HCl溶液滴加到溶液体系中，将pH调至8.5；
（3）将步骤2的体系在黑暗条件下连续搅拌反应36 h；
（4）将得到的悬浮液5000 r/min离心分离5min，用去离子水离心洗去未反应的试剂。最后将所得固体真空干燥24 h；
（5）取MXene-PDA 0.01 g，加入DMF1.5 mL后超声分散10 min，然后往该体系中加入1 g环氧树脂继续超声分散10 min，随后用胶头滴管吸取该体系在钢片上滴加6滴，用线棒从同一方向均匀涂平；
（6）将所制得的涂层放入干燥箱中100℃干燥20 min。
实施例3
（1）将500 mg MXene加入到100 mL去离子水中用超声机超声分散0.5 h；
（2）将250 mg盐酸多巴胺放入，剧烈搅拌1 h，在此期间，将25 mL的50 mM Tris-HCl溶液滴加到溶液体系中，将pH调至8；
（3）将步骤2的体系在黑暗条件下连续搅拌反应48 h；
（4）将得到的悬浮液5000 r/min离心分离5min，用去离子水离心洗去未反应的试剂。最后将所得固体真空干燥24 h；
（5）取MXene-PDA0.01 g，加入DMF1.5 mL后超声分散10 min，然后往该体系中加入1 g环氧树脂继续超声分散10 min，随后用胶头滴管吸取该体系在钢片上滴加6滴，用线棒从同一方向均匀涂平；
（6）将所制得的涂层放入干燥箱中100℃干燥20 min。
实施例4
（1）将500 mg MXene加入到100 mL去离子水中用超声机超声分散0.5 h；
（2）将300 mg盐酸多巴胺放入，剧烈搅拌1 h，在此期间，将25 mL的50 mM Tris-HCl溶液滴加到溶液体系中，将pH调至9；
（3）将步骤2的体系在黑暗条件下连续搅拌反应24 h；
（4）将得到的悬浮液5000 r/min离心分离5min，用去离子水离心洗去未反应的试剂。最后将所得固体真空干燥24 h；
（5）取MXene-PDA0.01 g，加入DMF1.5 mL后超声分散10 min，然后往该体系中加入1 g环氧树脂继续超声分散10 min，随后用胶头滴管吸取该体系在钢片上滴加6滴，用线棒从同一方向均匀涂平；
（6）将所制得的涂层放入干燥箱中100℃干燥20 min。
实施例5
（1）将500 mg MXene加入到100 mL去离子水中用超声机超声分散0.5 h；
（2）将300 mg盐酸多巴胺放入，剧烈搅拌1 h，在此期间，将25 mL的50 mM Tris-HCl溶液滴加到溶液体系中，将pH调至8.5；
（3）将步骤2的体系在黑暗条件下连续搅拌反应24 h；
（4）将得到的悬浮液5000 r/min离心分离5min，用去离子水离心洗去未反应的试剂。最后，将所得固体真空干燥24 h；
（5）取MXene-PDA0.01 g，加入DMF1.5 mL后超声分散10 min，然后往该体系中加入0.1 g环氧树脂继续超声分散10 min，随后用胶头滴管吸取该体系在钢片上滴加6滴，用线棒从同一方向均匀涂平；
（6）将所制得的涂层放入干燥箱中100℃干燥20 min。
实施例6
（1）将400 mg MXene加入到100 mL去离子水中用超声机超声分散0.5 h；
（2）将250 mg盐酸多巴胺放入，剧烈搅拌1 h，在此期间，将25 mL的50 mM Tris-HCl溶液滴加到溶液体系中，将pH调至8.5；
（3）将步骤2的体系在黑暗条件下连续搅拌反应24 h；
（4）将得到的悬浮液5000 r/min离心分离5min，用去离子水离心洗去未反应的试剂。最后，将所得固体真空干燥24 h；
（5）取MXene-PDA0.01 g，加入DMF1.5 mL后超声分散10 min，然后往该体系中加入1 g环氧树脂继续超声分散10 min，随后用胶头滴管吸取该体系在钢片上滴加6滴，用线棒从同一方向均匀涂平；
（6）将所制得的涂层放入干燥箱中100℃干燥20 min。
取实施例1、4、6制得的样板，与304不锈钢裸钢、普通环氧树脂涂层、MXene涂层，在电化学工作站中进行Tafel测试，然后观察涂层耐腐蚀性能，结果如表1所示。
表1 不同样板由Tafel外推法得到的样品自腐蚀电压和自腐蚀密度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由以上结果可知，本发明的涂层具有优异的耐腐蚀性能，适用于氢氧燃料电池双极板的防腐蚀涂层以抵御电化学腐蚀保护电极，延长氢氧燃料电池的使用寿命。

Claims (6)

1.一种氢氧燃料电池的电极保护涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将MXene加入到去离子水中，超声分散；
步骤2，将盐酸多巴胺加至步骤1的混合溶液中，剧烈搅拌1 h，在此期间，加入Tris-HCl溶液调节溶液pH至8-9；
步骤3，将步骤2的体系在黑暗条件下连续搅拌反应；
步骤4，将得到的悬浮液离心分离，用去离子水离心洗去未反应的试剂，最后，将所得固体真空干燥24 h；
步骤5，将环氧树脂、N,N-二甲基甲酰胺和步骤4制得的固体按照100g：10mL：1g的比例分别量取，先将固体与N,N-二甲基甲酰胺混合后超声分散，然后往该体系中加入环氧树脂继续超声分散，随后用胶头滴管吸取该体系在钢片上滴加，用线棒从同一方向均匀辊涂制成涂层；
步骤6，将所制得的涂层进行干燥，即可。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1中MXene和去离子水的用量比为200-500 mg：100 mL。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2中加入的盐酸多巴胺为100-400mg。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3中反应时间为24-48 h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4中离心分离的条件为5000-8000r/min、5 min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤6中干燥条件为80-100℃干燥20min。
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