炭材料在能量储存与转化中的应用

第26卷第4期2011年8月新型炭材料NEW CARBON MATERIALS Vol．26No．4Aug．2011

收稿日期：2011-06-27；修回日期：2011-

08-13基金项目：国家自然科学基金（50632040，

50802049，50972065，50902079），广东省创新团队和深圳市科技计划项目（JP200806230010A ，SG200810150054A ）．

作者简介：康飞宇（1962－），男，内蒙古卓资人，博士，教授，博导，主要从事新型炭材料、新能源器件及关键材料的研究．

E-mail ：fykang@mail．tsinghua．edu．cn

文章编号：

1007-8827（2011）04-0246-09

炭材料在能量储存与转化中的应用

康飞宇，贺艳兵，李宝华，杜鸿达

（清华大学深圳研究生院热管理工程与材料重点实验室，广东深圳518055）

摘要：通过评述炭材料在能量储存和转化领域的研究和发展现状，如：炭材料是燃料电池重要的催化剂载体、

双极板和气体扩散层材料，也是太阳能电池构建碳-硅PN 结、全碳PN 结以及透明导电膜的核心材料，锂离子电池和超级电容器的关键电极材料。另外，炭材料在气体存储、蓄能蓄热、核能、风能等领域也具有重要的应用。认为：炭材料形态结构多样性及其所具有的诸多优异物理和化学特性，是其在能量储存和转化领域中广泛应用的根本。提出：炭材料必须向纳米化、有序化、复合化方向发展，实现功能炭材料的可控制备、纳米结构调控、复合材料的优化设计与制备对能量转化和存储器件升级，炭材料必将获得更加广阔的发展和应用空间。关键词：

炭材料；能量储存；能量转化

中图分类号：

TQ 127．1+1

文献标识码：

A

1前言

随着化石能源日渐短缺，环境污染日益严峻，发

展可再生能源和清洁能源是未来解决全球气候变暖

和能源环境危机的核心所在，也是各国实现节能减排和低碳发展的重要手段。炭材料结构形态多样，具有储能、传热、导电、催化等物理化学特性，且耐腐蚀、耐高温、资源丰富，使其在新型能源转化和储运领域得到了广泛应用。

炭石墨及其他纳米炭材料作为能量转化和储存

材料主要应用在以下几个方面：1）能源转化，如太阳能电池、燃料电池和锂离子电池等；2）能量储存，

包括超级电容器、气体存储、相变储能等；3）其他方面，包括核能、风能等；国内外研究者对炭材料在上述领域进行了大量的研究，使得炭材料的功能不断升级，本文试图对炭材料在能量储存和转化领域的研究和应用进行较全面的分析和展望。

2

能源转化

2．1

燃料电池2．1．1

催化剂载体

纳米炭常被用作燃料电池催化剂载体，多种形态炭材料如炭黑、活性炭、多孔炭、炭气凝胶、碳纳米管、石墨烯等均可作为燃料电池催化剂载体，其负载

Pt 、Pt-Ru 等金属粒子可形成质子交换膜燃料电池（PEMFC ）和直接醇类燃料电池（DMFC ）的阴极和

阳极催化剂，催化剂的催化效率取决于载体的粒子大小、导电性高低、耐腐蚀性以及Pt 、Pt-Ru 等金属粒子在载体上的分散性、结合性和粒径大小。炭黑为最常用的燃料电池催化剂载体。干林等［1］

将不同粒径的Pt 催化剂粒子负载于Vulca-nXC-72导电炭黑中，发现尺寸较小的Pt 颗粒被嵌入到载体表面的微孔中，而尺寸较大的Pt 颗粒则暴露在炭黑表面，

Pt 平均粒径为3．0nm 的Pt /C 复合材料作为DMFC 催化剂的性能最好。研究发现炭黑的耐腐蚀性对PEMFC 催化剂Pt /C 的耐用性具

有重要的影响［2］

。

活性碳纳米管和活性纳米炭纤维作为燃料电池催化剂载体也显示了较好的性能。如活性碳纳米管负载Pd-Ag 粒子作为DMFC 催化剂的催化活性高于炭黑负载Pd-Ag 催化剂的催化活性［3］。Huang 等

［4］

将Pt 催化剂粒子均匀负载于活性炭纤维上，

Pt 粒子平均粒径为2．4nm ，其对甲醇、乙醇和异丙醇的催化氧化活性和稳定性很好。Gan 等［5-6］

发现经热处理后的纳米炭纤维，其表面的石墨边缘重构形成单壁纳米回路能保持Pt 纳米颗粒的均匀分散，可提高Pt 对氧还原反应的催化性能。

多孔炭具有丰富的孔结构，

Zhang 等［7］通过原

位自组装聚合物胶体、炭化、去除模板得到了具有部分石墨化特性的层次孔炭，大孔和中孔内部连通，是一种很好的Pt-Ru合金催化剂载体。多孔炭官能团的引入对催化剂催化活性的提高也具有重要的意义，如Lee等［8］在多孔炭中引入－SO3H官能团，将Pt-Ru纳米粒子负载于所制备的多孔炭中，所得催化剂的离子电导率更高，比商用60%Pt-Ru/Vulcan XC-72催化性能更好。

炭气凝胶（CAs）是一种具有可控孔结构的新型炭材料，炭气凝胶的孔结构对催化剂的活性具有重要的影响［9］。Du等［10］以炭气凝胶作为载体采用乙二醇还原法制备得到Pt/CAs阴极催化剂，发现炭气凝胶孔径小于25nm时，孔径越大对氧的扩散阻力越小，催化剂的活性越高。Pt-Ru/CAs作为DM-FC阳极催化剂同样显示了良好的性能［11］。Smirnova等［12］在超界临条件下将有机金属前躯体引入不同孔径的炭气凝胶上，经过热处理得到负载不同Pt粒子含量的催化剂，发现炭气凝胶的孔径和Pt的负载量对PEMFC催化剂的催化活性具有重要的影响。

碳纳米管也是一种重要的燃料电池催化剂载体，康飞宇等报道了掺杂五元环缺陷的竹节状碳纳米管（BCNTs）在DMFC催化剂载体中的应用，发现五元环缺陷能在较温和的氧化条件下形成丰富的表面含氧官能团，增强了载体与金属颗粒的作用，将Pt纳米颗粒均匀分散于BCNTs载体上，作为DMFC 阴极催化剂在30?下显示出较好的性能［13］。制备的高金属含量（质量分数为60%）Pt-Ru/BCNT阳极催化剂，可显著提高DMFC性能［14］。

石墨烯作为燃料电池催化剂载体近年来成为研究热点，用NaBH4同步还原H2PtC l6和氧化石墨烯，可将Pt粒子均匀沉积于石墨烯片层上，所制Pt/石墨烯作为DMFC催化剂显示较好的催化活性［15］。使用石墨烯作为PEMFC催化剂载体，负载Pt3M （M=Co和Cr）比只负载Pt对氧还原反应的活性更好［16］。

2．1．2双极板

由于石墨具有高导电性和密度低的特点，可以用作燃料电池双极板。清华大学采用增强膨胀石墨块体，湖南大学采用粘接天然石墨，均取得了很好的效果。柔性石墨材料具有很小的相对透气系数，阻气性能稳定，是制造PEMFC双极板较为理想的材料［17］。如将压缩膨胀石墨（CEG）与环氧树脂形成的复合材料用于PEMFC双极板，复合材料的机械性能和透气性可随着树脂含量发生显著变化，而导电性保持不变，因为CEG片层内可形成连续的膨胀石墨导电网络，其中以环氧树脂（质量分数为30%）/CEG复合材料性能最优［18］。

使用粘接天然石墨也可制得效果良好的石墨电极双极板，如湖南大学刘洪波等以天然石墨为导电骨料，树脂为黏结剂，炭黑为导电添加剂，通过模压成型得到了性能良好的PEMFC双极板［19-20］。炭黑的加入可使双极板强度有所减小，而增大成型压力和延长保压时间则可提高双极板的导电性和强度。邹彦文等［21］发现使用人造石墨和天然石墨复合材料作为导电骨料的双极板，性能明显优于使用单一石墨组分样品的性能。天然石墨/苯酚甲醛树脂复合双极板通过膨胀石墨薄层表面修饰能够降低极板和气体扩散层之间的接触电阻［22］。

2．1．3气体扩散层

气体扩散层对质子交换膜燃料电池的性能具有重要的影响。燃料电池催化剂通常为厚度小于10μm的薄层材料，气体扩散层一方面对催 …… 此处隐藏：27591字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……