CN103400996A - 碳修饰化妆棉负载钯h2o2基燃料电池阴极材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种碳修饰化妆棉负载钯H2O2基燃料电池阴极材料的方法。用丙酮和乙醇将化妆绵清洗数次，在110-130℃下干燥10-15h；取100-150mg碳和500mg十二烷基笨磺酸钠溶于50mL蒸馏水中，超声10-15h得到悬浮液；将清洗过的化妆绵浸入所述悬浮液中，静置30s后取出，在110-130℃下干燥2h后，用蒸馏水洗涤，在110-130℃下干燥2-4h；取含有0.6mol?dm-3的NaPdCl4和0.06mol?dm-3的NaCl的混合溶液作为电沉积液，采用5-15mA?cm-2电流，沉积4-6h，最终制成碳修饰化妆棉负载钯。本发明的方法所得到的材料作为H2O2直接电还原的催化剂，不但活性炭和化妆棉的储量极其丰富易得，价格低廉，Pd的利用率高；载体比表面积大，导电性好；不使用粘结剂和导电剂；而且催化活性高，性能稳定。

Description

碳修饰化妆棉负载钯H2O2基燃料电池阴极材料的方法
技术领域
本发明涉及的是一种H2O2基燃料电池阴极材料的制备方法。
背景技术
近年来，随着能源危机的进一步加剧，作为一种新型的高效、清洁能源转换装置，燃料电池已经越来越引起人们的关注。其中，以H2O2作为氧化剂的燃料电池，具有电化学活性高，易于储存、运输和操作等优点，可在一些特殊的环境（空间或者水下等无氧环境）代替O2，尤其是在几种有代表性的低温燃料电池中的研究更是成为当下的研究热点。
H2O2电还原的催化性能是直接关系到燃料电池的性能的一个重要影响因素。所以，制备高性能的催化剂是提高以H2O2为氧化剂的燃料电池性能的关键。在几种H2O2电还原的催化剂中（贵金属、过渡金属氧化物、大环的分子以及生物酶等），过渡金属氧化物由于其价格低廉，污染小，性能高等特点引起了广泛地关注。一般来说，燃料电池的电极是由催化剂粉末混合聚合物粘结剂、导电碳混合搅拌形成糊状，然后涂覆在集流体上干燥得到。这种传统的制作电极的方式由于引入聚合物粘结剂，导致有些催化剂不能很好的和电解液接触，从而引起低的催化剂利用率以及低导电率等缺点。此外，导电碳粉和聚合物粘结剂在长时间测试中或者大电流放电下不稳定，会引起脱落，从而影响电极的性能。基于以上的考虑，许多研究集中在制备直接生长在集流体上具有特殊纳米结构的金属氧化物。由于催化与集流体直接接触，有利于催化剂与溶液接触以及电子的传导。这种特殊的纳米结构，也能促使H2O2水解产生的气泡得以迅速地扩散出来，以免占据催化剂表面的活性位。H2O2直接电还原存在的主要问题，是H2O2电还原活性不高，直接电还原反应如(1)式所示：
HO2 -+H2O+2e→2OHads -+OH-   (1)
可参阅Fan Yang,Kui Cheng,Tianhao Wu,Ying Zhang,Jinling Yin,Guiling Wang,Dianxue Cao.Au–Pd nanoparticles supported on carbon fiber cloth as theelectrocatalyst for H2O2electroreduction in acid medium.Journal of Power Sources,2013,233:252-258，以及Kui Cheng,Fan Yang,Yang Xu,Lin Cheng,Yanyan Bao,DianxueCao,Guiling Wang.Pd doped Co3O4nanowire array as the H2O2electroreduction catalyst.Journal of Power Sources,2013,240:442-447。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能成本低、催化活性好、能避免过氧化氢分解的碳修饰化妆棉负载钯H2O2基燃料电池阴极材料的方法。
本发明的目的是这样实现的：
（1）用丙酮和乙醇将化妆绵清洗数次，在110-130℃下干燥10-15h；
（2）取100-150mg碳和500mg十二烷基笨磺酸钠溶于50mL蒸馏水中，超声10-15h得到悬浮液；
（3）将清洗过的化妆绵浸入所述悬浮液中，静置30s后取出，在110-130℃下干燥2h后，用大量的蒸馏水洗涤，进而在110-130℃下干燥2-4h，制成导电的碳修饰化妆棉；
（4）取含有0.6mol dm-3的NaPdCl4和0.06mol dm-3的NaCl的混合溶液作为电沉积液，采用5-15mA cm-2电流，沉积4-6h，最终制成碳修饰化妆棉负载钯。
所述的碳可以是碳纳米管、活性炭、炭黑或碳纤维。
所述化妆绵可以用无纺布或多孔纤维代替。
贵金属Pd也可以替换成Pt或Au。
以碳修饰化妆棉负载钯（PdCCosmetic-cotton）作为H2O2电还原阴极材料，按(1)式直接还原成氢氧根，再和其它阳极（如铝合金、硼氢化钠等）组成碱性燃料电池。
本发明的方法所得到的产品可用于金属-H2O2半燃料电池、硼氢化物-H2O2燃料电池、阱-H2O2燃料电池、氢气-H2O2燃料电池。
本发明的实质是采用金属-H2O2半燃料电池和硼氢化钠-H2O2燃料电池等的电池结构，以PdCCosmetic-cotton取代钯、金、银等贵金属催化剂，构成燃料电池的阴极。
本发明的优点在于利用PdCCosmetic-cotton作为H2O2直接电还原的催化剂，不但活性炭和化妆棉的储量极其丰富易得，价格低廉，Pd的利用率高；载体CCosmetic-cotton比表面积大，导电性好；不使用粘结剂和导电剂；而且催化活性高，性能稳定。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述：
（1）用丙酮和乙醇将商用化妆绵清洗数次，进而将其在110-130℃下干燥10-15h备用。
（2）取130mg活性炭和500mg十二烷基笨磺酸钠(SDBS)溶于50mL蒸馏水中，超声10-15h。
（3）将清洁过的化妆绵浸入活性炭悬浮液，静置30s后取出，在110-130℃下干燥2h后取出，用大量的蒸馏水洗涤以除去表面活性剂SDBS,进而在110-130℃下干燥2-4h，制成导电的CCosmetic-cotton备用。
（4）取含有0.6mol dm-3的NaPdCl4l和0.06mol dm-3的NaCl混合溶液作为电沉积液，采用5-15mA cm-2电流，沉积4-6h，最终制成PdCCosmetic-cotton电极。
为了更好地说明本发明的效果，下面以具体实例加以说明。
实施例1：利用PdCCosmetic-cotton作为H2O2直接电还原的阴极；以3mol/L的KOH作为电解液，Nafin-115质子交换摸作为隔膜，铝作为电池的阳极；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.2V，最大功率密度为584mW·cm-2。
实施例2：利用PdCCosmetic-cotton作为H2O2直接电还原的阴极，以3mol/L的KOH作为阴极电解液；Nafin-115质子交换摸作为隔膜；以泡沫镍上负载的纳米Pt为阳极，以3mol/L的KOH为阳极电解质溶液，1mol/L的硼氢化钠为燃料；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.3V，最大功率密度为679mW·cm-2。
实施例3：利用PdCCosmetic-cotton作为H2O2直接电还原的阴极；以3mol/L的KOH作为电解液，Nafin-115质子交换摸作为隔膜，铝作为电池的阳极；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.3V，最大功率密度为726mW·cm-2。
实施例4：利用PdCCosmetic-cotton作为H2O2直接电还原的阴极，以3mol/L的KOH作为阴极电解液；Nafin-115质子交换摸作为隔膜；以泡沫镍上负载的纳米Pt为阳极，以3mol/L的KOH为阳极电解质溶液，1mol/L的硼氢化钠为燃料；当H2O2浓度为0.6mol·L-1、KOH浓度为3mol·L-1时电池的开路电压为1.2V，最大功率密度为617mW·cm-2。

Claims (3)

1.一种碳修饰化妆棉负载钯H2O2基燃料电池阴极材料的方法，其特征是：
（1）用丙酮和乙醇将化妆绵清洗数次，在110-130℃下干燥10-15h；
（2）取100-150mg碳和500mg十二烷基笨磺酸钠溶于50mL蒸馏水中，超声10-15h得到悬浮液；
（3）将清洗过的化妆绵浸入所述悬浮液中，静置30s后取出，在110-130℃下干燥2h后，用大量的蒸馏水洗涤，进而在110-130℃下干燥2-4h，制成导电的碳修饰化妆棉；
（4）取含有0.6mol dm-3的NaPdCl4和0.06mol dm-3的NaCl的混合溶液作为电沉积液，采用5-15mA cm-2电流，沉积4-6h，最终制成碳修饰化妆棉负载钯。
2.根据权利要求1所述的碳修饰化妆棉负载钯H2O2基燃料电池阴极材料的方法，其特征是：所述的碳是碳纳米管、活性炭、炭黑或碳纤维。
3.根据权利要求1或2所述的碳修饰化妆棉负载钯H2O2基燃料电池阴极材料的方法，其特征是：用无纺布或多孔纤维代替化妆绵。
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