王华涛教授， CEJ：基于 MWCNTs-CFs 分层结构的高强度双热电导性燃料电池用改性碳纸

第一作者：吴浩然

通讯作者：王华涛*，宫晓飞*，赵磊*

单位：哈尔滨工业大学（威海），哈尔滨工业大学（威海），哈尔滨工业大学

在质子交换膜燃料电池中，碳纸作为气体扩散层的基底层材料需满足以下关键性能要求：足够的机械强度以支撑催化剂层结构、优异的导电导热性能以实现电流传导与散热功能、以及适宜的多孔结构以保障水气扩散效率，然而传统碳纸材料难以满足上述综合性能要求。本文研究了一种改性碳纸的制备方法，通过预浸渍的方式向碳纸中引入多壁碳纳米管作为增强体，多壁碳纳米管缠绕在碳纤维表面，可以增强碳纤维与树脂碳之间的界面结合，提高碳纸的力学强度。同时，可以为由碳纤维形成的导电导热骨架增添更多细小的分支结构，完善碳纸中的导电导热通路，改善碳纸的导电导热性能。这种改性碳纸装配在燃料电池中可以增强质子交换膜燃料电池的输出效率、运行稳定性和使用寿命，在燃料电池领域具有广阔的应用前景。

近日，来自哈尔滨工业大学（威海）大学的王华涛教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“High-strength and dual thermal-electrical conductive modified carbon paper based on MWCNTs-CFs hierarchical architecture for fuel cells”的文章。该文章通过预浸渍的方式向碳纸中引入多壁碳纳米管，使多壁碳纳米管缠绕在碳纤维表面，从而增强了燃料电池用碳纸的力学强度以及导热、导电性能。

采用预浸渍的方式制备多壁碳纳米管改性碳纸，通过将碳纤维毡先浸渍多壁碳纳米管分散液，干燥后再浸渍酚醛树脂的工艺，实现了多壁碳纳米管在碳纤维表面的均匀缠绕，形成碳纤维外包裹碳纳米管层、最外层再包裹树脂碳层的层级结构。

多壁碳纳米管不溶于水且较难分散，传统工艺很难将多壁碳纳米管均匀引入进碳纸中。本文通过添加PVP作为分散剂，通过高速长时间的机械搅拌，使碳纳米管先在去离子水中均匀分散，形成碳纳米管浆料。之后再向碳纳米管浆料中加入去离子水，再次通过机械搅拌，得到分散均匀且流动性较好的一定质量浓度的碳纳米管分散液。碳纸浸渍在碳纳米管分散液中一定时间后，可以将碳纳米管引入进碳纸中，并实现碳纳米管在碳纤维表面的均匀包覆。

通过预浸渍的方式向碳纸中引入多壁碳纳米管作为增强体，多壁碳纳米管缠绕在碳纤维表面，形成不同的粗糙结构，粗糙的表面结构有利于碳纤维与树脂碳界面结合强度的增强，碳纤维与树脂碳形成稳定复合体系，从而能有效抑制纤维拔出现象并提升碳纸的力学强度。

多壁碳纳米管包覆在碳纤维表面，增加了碳纤维彼此间的接触点，为由碳纤维交织排列形成的骨架增添了更多细小的分支结构，使整个导热导电网络更加发达。同时部分多壁碳纳米管嵌入树脂碳基体中，进一步增强了树脂碳的导热导电能力，提高了树脂碳的传导效率，从而提高了碳纸的导热导电性能。碳纸导热导电性能的提高，不仅可以降低燃料电池工作过程中产生的焦耳热，还能及时将热量传导至双极板，使燃料电池的工作温度维持在一个合适的范围内，从而能够提高燃料电池的能量转换效率。

High-strength and dual thermal-electrical conductive modified carbon paper based on MWCNTs-CFs hierarchical architecture for fuel cells

王华涛教授简介：研究新能源和半导体的热管理技术、柔性加热技术和柔性电子等领域，已发表专业论文六十多篇，在国际知名期刊如J.Am.Chem.Soc.、Chem. Eng. J.，ACS Nano、ACS Appl.Mater.Interfaces多有著述，申请专利多项。研究成果，在国外曾经被NATURE CHEMISTR特色报道，在国内被“科技日报”（头版头条）、“中国科学报”、“人民网”等多家媒体报道。承担国家、省部、地方等多个项目，获省、市等多项奖励和称号，包括黑龙江省科学技术发明奖、山东省高等学校科学技术奖、浙江省自然科学学术奖、江苏常州“龙城英才”。