王华涛教授、宫晓飞教授、赵磊教授， Carbon观点：基于MPCFs和PAN-CFs混合骨架并用GNPs修饰的燃料电池用增强型导热导电改性碳纸

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

质子交换膜燃料电池因其高能量转换效率、快速启动、低温运行及零排放等优势，在能源领域具有重要应用前景。作为其关键部件的气体扩散层，主要承担机械支撑、热管理、电流传导以及反应气体与水的传输等多重功能。碳纸作为主流的气体扩散层基材，需要兼具优异力学强度与导热导电性能。然而，传统碳纸存在机械强度不足、热导率较低、导电网络效率欠佳等性能局限，需要对碳纸进行改性。本文提出一种使用中间相沥青基碳纤维与石墨纳米片对碳纸进行复合改性的方法。我们通过将中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维共同分散成毡构建纤维骨架，并浸渍石墨纳米片分散液使石墨纳米片附着于纤维表面。该结构可以通过增加碳纤维表面粗糙度来增强碳纤维与树脂碳之间的界面结合，进而提高碳纸力学强度。同时，中间相沥青基碳纤维与石墨纳米片分布在碳纸中，能够优化其导热导电网络。该改性碳纸通过增强力学强度及导热导电性能，为高效率质子交换膜燃料电池的发展提供新方案，对推动燃料电池技术进步具有重要意义。

近日，来自哈尔滨工业大学（威海）大学的王华涛教授、宫晓飞教授和研究生吴浩然，与来自哈尔滨工业大学的赵磊教授合作，在国际知名期刊Carbon上发表题为“Enhanced thermally and electrically conductive modified carbon paper based on MPCFs and PAN-CFs hybrid skeleton decorated with GNPs for fuel cells”的文章。该文章通过将中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维共同分散成毡的工艺构建纤维骨架，并浸渍石墨纳米片分散液使石墨纳米片附着于碳纤维表面，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。

通过将中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维共同分散成毡构建纤维骨架，并将碳纸浸渍石墨纳米片分散液使石墨纳米片附着于碳纤维表面。在这种结构中，MPCFs一部分水平搭接在相邻的 PAN-CFs之间，一部分竖直穿插在由 PAN-CFs形成的碳纸的层间空隙中，为碳纸水平方向和厚度方向的导热导电网络建立了额外的传导路径，从而提高了碳纸的导热导电性能。此外，石墨纳米片附着在碳纤维表面，形成了更细的分支通道，使碳纸的导热导电网络更加复杂，从而能够进一步提高电导率和热导率，得到具有优异导热导电性能的改性碳纸。

本文添加HEC作为分散剂，将不同比例的MPCFs和PAN-CFs混合，通过高速长时间的机械搅拌，使MPCFs和PAN-CFs能够得到良好分散，之后采用湿法成毡的工艺得到混合碳纤维毡。这种工艺可以使MPCFs均匀分布在PAN-CFs之间，MPCFs既可以在PAN-CFs构成的网络框架内水平搭接，起到桥接作用；又可以竖直穿插在碳毡的层与层之间，增强PAN-CFs间的机械连接，从而能够提升碳毡的结构稳定性和整体性。

通过预浸渍的方式向碳纸中引入石墨纳米片作为增强体，石墨纳米片可以附着在两种碳纤维的表面，形成纳米级凸起，增强碳纤维与树脂碳的界面结合强度，促使碳纸的断裂机制由界面脱粘转变为碳纤维断裂，最终实现碳纸力学性能的提升。

本文制备的MPCF/GNP改性碳纸兼具优异的导热导电性能与突出的力学强度。将其应用于质子交换膜燃料电池后，可将电池的峰值功率密度提升至原水平的225%。该改性碳纸显著改善了传统碳纸存在的力学强度不足、导热与导电性能较差等问题，为提升PEMFC的输出功率提供了创新解决方案，对推动质子交换膜燃料电池的商业化应用及未来清洁能源结构转型具有重要意义。

Enhanced thermally and electrically conductive modified carbon paper based on MPCFs and PAN-CFs hybrid skeleton decorated with GNPs for fuel cells

赵磊教授简介：研究方向为化学电源、电催化、纳米电极材料，针对高性能锂/钠离子电池、低温燃料电池、金属空气电池及电催化能源转化关键技术进行了系统、深入的研究。以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Small Methods, Nano Energy, Appl. Catal. B: Environ.等期刊发表SCI论文70余篇，获授权国家发明专利20余项。