本發(fā)明屬于氫能，具體涉及一種表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層、制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氫氣由于具有零污染和高能量密度等特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的能源載體。在氫經(jīng)濟(jì)背景下，電解水制氫技術(shù)成為獲得高純度氫燃料的高效能源轉(zhuǎn)換工藝之一，最終通過燃料電池等可再生能源轉(zhuǎn)換技術(shù)將氫能推廣使用。金屬基氣體擴(kuò)散層作為燃料電池和電解水裝置中的核心部件之一，由于強(qiáng)酸性和高氧化電位的工況條件，通常需要在多孔鈦表面修飾貴金屬(ir或pt)涂層以提高氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電性和使用壽命，但是存在貴金屬用量大，生產(chǎn)成本高等問題。

2、針對(duì)當(dāng)前燃料電池和電解水裝置中鈦擴(kuò)散層組件表面鍍層技術(shù)成本高昂的問題，開發(fā)低成本、高性能鈦多孔傳輸層表面改性技術(shù)迫在眉睫。碳化鈦(tic)具有高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電性，通過碳化鈦涂層對(duì)多孔鈦基體進(jìn)行表面修飾，是一種有效且經(jīng)濟(jì)的多孔鈦擴(kuò)散層表面改性方式。傳統(tǒng)的碳熱還原tio2法，需要高溫(1700℃～2100℃)和長(zhǎng)時(shí)間保溫(10h～24h)，產(chǎn)物易出現(xiàn)大塊團(tuán)聚、顆粒形狀不均勻等問題。

3、因此，需要開發(fā)一種操作工藝簡(jiǎn)單，在低反應(yīng)溫度和短的反應(yīng)時(shí)間條件下制備優(yōu)質(zhì)tic涂層的表面改性技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層。該方法通過將氧化后的多孔鈦基體包埋在含有聚乙二醇粉末和鈦粉的瓷舟中進(jìn)行熱處理，有效降低tic涂層的制備溫度和反應(yīng)時(shí)間，簡(jiǎn)化制備工藝，獲得具有高導(dǎo)電、良好耐蝕性的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層，解決了現(xiàn)有制備工藝溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致產(chǎn)物易團(tuán)聚、顆粒形狀不均勻的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層，其特征在于，包括多孔鈦基體和多孔鈦基體表面原位生長(zhǎng)的tic涂層。

3、上述的一種表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層，其特征在于，所述多孔鈦基體為鈦網(wǎng)、燒結(jié)多孔鈦、鈦氈或泡沫鈦。本發(fā)明的多孔鈦擴(kuò)散層適用于多種基體，提高了本發(fā)明的實(shí)用性。

4、同時(shí)，本發(fā)明還公開了一種制備如上述的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

5、步驟一、將多孔鈦基體于空氣中進(jìn)行熱處理，得到tio2/ti前驅(qū)體；

6、步驟二、采用鈦粉、聚乙二醇粉末將步驟一中得到的tio2/ti前驅(qū)體按照鈦粉-聚乙二醇粉末-tio2/ti前驅(qū)體-聚乙二醇粉末-鈦粉的鋪粉次序，包埋在磁舟中，然后放置于管式爐中，在惰性氣氛中進(jìn)行熱處理，形成表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層。

7、本發(fā)明的熱處理過程中，首先聚乙二醇粉末在高溫下發(fā)生熱分解，產(chǎn)生大量無定型碳，為tio2/ti前驅(qū)體提供高濃度還原性氣氛，同時(shí)，利用松裝的鈦粉將聚乙二醇粉末分解產(chǎn)生的無定型碳“鎖住”，延長(zhǎng)無定型碳在tio2/ti前驅(qū)體表面的停留時(shí)間，保證了高濃度還原性氣氛的持續(xù)時(shí)間；在持續(xù)的高濃度還原性氣氛下，小分子的無定型碳能夠快速進(jìn)入tio2/ti前驅(qū)體的tio2晶格中，從而有效降低tic的制備溫度和反應(yīng)時(shí)間，形成高導(dǎo)電、良好耐蝕性的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層。

8、上述的方法，其特征在于，步驟一中所述熱處理的溫度為300℃～600℃，熱處理時(shí)間為2h～10h。本發(fā)明通過控制熱處理氧化的溫度和時(shí)間，從而控制tio2/ti前驅(qū)體中tio2氧化層的厚度。

9、上述的方法，其特征在于，步驟二中所述聚乙二醇粉末的分子量為2000～10000。由于高分子量的聚乙二醇分子間的相互作用力較強(qiáng)，因此分子量較高的聚乙二醇具有更高的分解溫度,本發(fā)明通過控制聚乙二醇粉末的高分子量，保證其在高溫下大量熱分解產(chǎn)生高濃度無定型碳，用于tio2/ti前驅(qū)體中tio2氧化層的還原過程。

10、上述的方法，其特征在于，步驟三中所述惰性氣氛為氮?dú)饣蛘邭鍤狻?/p>

11、上述的方法，其特征在于，步驟二中所述熱處理的過程為：先以5℃/min的升溫速率加熱至350℃保溫1h，隨后以10℃/min的升溫速率加熱至700℃～1000℃保溫2h～8h。本發(fā)明通過控制熱處理過程中的升溫速率、反應(yīng)溫度和時(shí)間，從而調(diào)控表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層中tic涂層的厚度和涂層中顆粒的粒徑；隨著溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，tic涂層的厚度增加、涂層中顆粒尺寸逐漸增大，從而獲得不同粗糙度、不同導(dǎo)電性和不同耐腐蝕性能的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層。

12、同時(shí)，本發(fā)明還公開了一種如上述的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層在燃料電池及電解水器件中的應(yīng)用。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

14、1、本發(fā)明將熱處理氧化后獲得的tio2/ti前驅(qū)體包埋在含有聚乙二醇粉末和鈦粉的瓷舟中進(jìn)行熱處理，利用聚乙二醇粉末分解產(chǎn)生的無定型碳作為碳源為tio2的還原提供持續(xù)的高濃度還原性氣氛，提高了多孔鈦基體表面原位生長(zhǎng)的tic涂層的均勻性，有效降低tic涂層的制備溫度和反應(yīng)時(shí)間，獲得具有高導(dǎo)電、良好耐蝕性的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層，極大簡(jiǎn)化制備工藝。

15、2、本發(fā)明的制備方法僅涉及簡(jiǎn)單的熱處理工藝，操作簡(jiǎn)單，為金屬氣體擴(kuò)散層的表面改性提供了低成本、有擴(kuò)大規(guī)?？尚行缘募夹g(shù)路線。

16、3、本發(fā)明制備的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層具有高導(dǎo)電和良好耐蝕性，在燃料電池及電解水器件中展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

17、下面通過附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層，其特征在于，包括多孔鈦基體和多孔鈦基體表面原位生長(zhǎng)的tic涂層。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層，其特征在于，所述多孔鈦基體為鈦網(wǎng)、燒結(jié)多孔鈦、鈦氈或泡沫鈦。

3.一種制備如權(quán)利要求1或2所述的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟一中所述熱處理的溫度為300℃～600℃，熱處理時(shí)間為2h～10h。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟二中所述聚乙二醇粉末的分子量為2000～10000。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟三中所述惰性氣氛為氮?dú)饣蛘邭鍤狻?/p>

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟二中所述熱處理的過程為：先以5℃/min的升溫速率加熱至350℃保溫1h，隨后以10℃/min的升溫速率加熱至700℃～1000℃保溫2h～8h。

8.一種如權(quán)利要求1或2所述的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層在燃料電池及電解水器件中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層，包括多孔鈦基體和多孔鈦基體表面原位生長(zhǎng)的TiC涂層；其制備方法包括：一、將多孔鈦基體熱處理得到TiO<subgt;2</subgt;/Ti前驅(qū)體；二、采用鈦粉、聚乙二醇粉末將TiO<subgt;2</subgt;/Ti前驅(qū)體包埋后熱處理；本發(fā)明還公開了該表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層在燃料電池及電解水器件中的應(yīng)用。本發(fā)明通過將氧化后的多孔鈦基體包埋在含有聚乙二醇粉末和鈦粉的瓷舟中進(jìn)行熱處理，有效降低TiC涂層的制備溫度和反應(yīng)時(shí)間，簡(jiǎn)化制備工藝，獲得具有高導(dǎo)電、良好耐蝕性的表面改性的多孔鈦擴(kuò)散層，燃料電池及電解水器件中展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，為金屬氣體擴(kuò)散層的表面改性提供了低成本、有擴(kuò)大規(guī)?？尚行缘募夹g(shù)路線。

技術(shù)研發(fā)人員：高文彬,張寶光,趙少陽(yáng),徐晨陽(yáng),王昊,楊坤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北有色金屬研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10