【摘 要】
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近年来,直径在纳米范围内的纳米碳纤维由于其卓越的化学性质、电学性质以及独特的一维纳米结构而受到越来越多的关注。静电纺丝是制备连续纳米碳纤维的简便途径,但是其所制备的纤维强度无法达到预期,限制了其使用价值,如何提高纳米碳纤维整体的机械强度,使其能够承受一定的力而不容易破碎,成为目前研究的重要内容;随着社会的发展,清洁能源的开发越来越受到人们的重视,质子交换膜燃料电池由于其启动快,工作温度较低,高功率
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近年来,直径在纳米范围内的纳米碳纤维由于其卓越的化学性质、电学性质以及独特的一维纳米结构而受到越来越多的关注。静电纺丝是制备连续纳米碳纤维的简便途径,但是其所制备的纤维强度无法达到预期,限制了其使用价值,如何提高纳米碳纤维整体的机械强度,使其能够承受一定的力而不容易破碎,成为目前研究的重要内容;随着社会的发展,清洁能源的开发越来越受到人们的重视,质子交换膜燃料电池由于其启动快,工作温度较低,高功率密度和环境友好的优点而备受关注,Pt/C作为商用催化剂,因为其粉末状的形态在使用过程中会引起导电导热等问题,且碳黑作为载体其抗腐蚀性能较低,使其有进一步提高的空间。针对上述存在的问题和痛点,本课题探索了一种在聚丙烯腈纤维预氧化之前对增加双向预拉伸的工艺,改善其纤维散乱的排布,获得强度提高、可弯折的纳米碳纤维,整体的工艺探索包括聚丙烯腈溶液的浓度、预氧化之前的拉伸量、预氧化温度、预氧化升温速率和碳化温度等。选取了12 wt%的聚丙烯腈溶液浓度,在电纺之后将纤维在沸水环境中其进行拉伸量为0到40%双向预拉伸处理,得到双向微定向以及拉直排列的纤维丝,按非国标制样,得到力学性能优良的纳米碳纤维。当施加拉伸量为30%时,纤维形貌以及拉伸强度最优,其中拉伸强度提高了64.9%,拉伸模量提高了50.0%。通过探索预氧化工艺,确定了最优的预氧化温度260℃和最佳的升温速率1℃/min。在30%的预拉伸量下,以1000到1400℃为碳化温度,研究了碳化温度对纳米碳纤维形貌、强度及电导率的影响,随着碳化温度的提高,纤维直径减小,拉伸强度和弹性模量提高。在双向预拉伸量为30%,碳化温度为1400℃工艺参数下得到的纳米碳纤维拉伸强度为70.6MPa,拉伸模量为1.29GPa,且可对其进行数次弯折不改变其形貌特征。以具有最佳力学性能的纳米碳纤维作为催化剂载体,在其表面负载铂纳米颗粒。以氯铂酸作为铂源,以乙二醇作为溶剂及稳定剂,通过调控载铂的温度、反应时间和铂盐p H值,以获得最优的表面形貌以及氧还原催化活性。发现在130℃、反应时间90min、氯铂酸乙二醇溶液p H值调控为10的条件下所制备的纳米碳纤维载铂材料的表面负载均匀,且铂纳米颗粒细小,表现出良好的氧还原催化活性,其中半波电位为0.871V,极限电流密度为6.3mA/cm~2,电化学活性表面积为79.12m~2/g,其性能优于商业铂碳。在50mV/s的扫描速度下循环3000圈（0-1.2V,vs RHE）,仍然保持0.845V的半波电位和5.7mA/cm~2的极限电流密度。
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