CN104091958A - 石墨烯贴附塑料负载AuCo硼氢化钠电氧化催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种石墨烯贴附塑料负载AuCo硼氢化钠电氧化催化剂的制备方法。将耐碱性双面胶带的一面贴于塑料表面；将石墨烯按10-15mg·cm-2涂覆于双面胶带的另一面；采用4-8MPa压力将石墨烯压实；将沾附石墨烯的塑料置于每升含6g Co(NO3)2和1g NH4Cl的水溶液中，先在1.0V电压下活化3min，进而在-1V下进行Co的电沉积保持0.5～1.0小时；将制备好的贴附石墨烯的塑料钴基体置于含0.8mmol·mL-1的AuCl4 -溶液中3-5min。本发明的实质是采用硼氢化钠燃料电池等的电池结构，以石墨烯贴附塑料负载AuCo为催化剂，构成燃料电池的阳极。解决了硼氢化钠燃料电池阳极催化活性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种硼氢化钠电氧化催化剂的制备方法。
背景技术
我国是一个航天大国和海洋大国，空间资源和海洋资源的开发直接关系到可持续性发展的国家战略。航天器和水下无人潜器可分别用于空间和海洋的资源勘探，气象监测，导航通讯，地貌绘图和环境研究等，是开发空间资源和海洋资源最重要的载体。由于航天器和水下无人潜器体积的限制，要求其动力电源具有大的能量密度。目前，大多数动力能源为银-锌电池、铅-酸电池和锂离子电池等，然而这些电池的能量密度有限，致使其工作时间短，燃料电池将是航天器和水下无人潜器向远程、大范围作业发展的关键。传统的质子交换膜燃料电池需要H2气做燃料，但是由于体积能量密度低的原因，航天器和水下无人潜器等装置的航程和作业范围受到了限制。
使用液体燃料被认为是提高能量密度的有效途径。直接硼氢化物燃料电池(DBFC)是以硼氢化物(溶于碱溶液中)为燃料的燃料电池，硼氢化物是含氢量很高的储氢材料，氧化动力学快，理论上NaBH4的直接电氧化为8e-反应，因而具有很高的比容量和比能量(NaBH4的的氢含量为11wt.％，比能量为9300Wh·kg-1,2850Wh·dm-3)。这些突出优点可使以直接硼氢化物燃料电池为氧化剂的燃料电池成为新一代空间电源、水下电源、无氧电源和下一代高能量密度的便携和移动电源。
通常，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，然后涂覆在金属集流体上干燥得到。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，由于NaBH4直接电氧化是在碱性条件下运行的，金属集流体可能与碱发生反应，形成金属氧化物层，导致导电性能下降，长时间运行会引起金属集流体的溶解，甚至会引起脱落。从而影响电极的性能。NaBH4直接电氧化还存在NaBH4电氧化活性不高的问题，理论上NaBH4的直接电氧化可为8e-反应，参见(1)式：
BH4 -+8OH-→BO2 -+4H2O+8e- (1)
NaBH4也易于发生水解反应，参见(2)式：
NaBH4+2H2O→4H2+NaBO2 (2)
可参阅Dongming Zhang,Guiling Wang,Kui Cheng,Jichun Huang,Peng Yan,DianxueCao.Enhancement of electrocatalytic performance of hydrogen storage alloys bymulti-walled carbon nanotubes for sodium borohydride oxidation.Journal of PowerSources,2014,245:482-486；王贵领，张栋铭，李一举，曹殿学，闫鹏，刘彤.碳修饰海绵负载镍硼氢化物燃料电池阳极材料的制备方法[P].中国专利文献:CN103400997A，2013-11-20以及Kui Cheng，Dianxue Cao，Fan Yang，Dongming Zhang，Peng Yan，JinlingYin，guiling wang.Pd doped three-dimensional porous Ni film supported on Ni foamand its high performance towards NaBH4electrooxidation.Journal of Power Sources,2013,242:141-147。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高硼氢化钠电氧化性能的石墨烯贴附塑料负载AuCo硼氢化钠电氧化催化剂的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
将耐碱性双面胶带的一面贴于塑料表面；将石墨烯按10-15mg·cm-2涂覆于双面胶带的另一面；采用4-8MPa压力将石墨烯压实；将沾附石墨烯的塑料置于每升含6g Co(NO3)2和1gNH4Cl的水溶液中，先在1.0V电压下活化3min，进而在-1V下进行Co的电沉积保持0.5～1.0小时；将制备好的贴附石墨烯的塑料钴基体置于含0.8mmol·mL-1的AuCl4 -溶液中3-5min，即得到石墨烯贴附塑料负载AuCo催化剂。
所述的塑料为环氧树脂塑料、酚醛塑料、乙烯塑料、聚苯乙烯塑料、聚四氟乙烯-乙烯共聚物塑料以及它们的衍生塑料。
本发明提供了一种将Co电沉积于导电石墨烯表面，再以Au置换部分Co制备石墨烯沾附塑料负载AuCo催化剂，提高硼氢化钠电氧化性能的方法。克服了集流体在碱性溶液中不稳定，等缺点，解决了硼氢化钠燃料电池阳极催化活性差的问题。
本发明的实质是采用硼氢化钠燃料电池等的电池结构，以石墨烯贴附塑料负载AuCo为催化剂，构成燃料电池的阳极。
本发明的优点在于利用石墨烯贴附塑料负载AuCo催化剂作为硼氢化钠直接电氧化的催化剂，首先是在电沉积电势的作用下，AuCo纳米颗粒可进入石墨烯层间，与AuCo形成塑料-石墨烯-AuCo的交联化合物，不仅比表面大，导电性好，而且AuCo纳米颗粒被抛锚定位于石墨烯层间和表面，不团聚，提高了硼氢化钠的电氧化活性。其次，石墨烯贴附塑料负载AuCo催化剂在碱性介质中稳定性强，不溶解，克服了金属集流体在碱性溶液中易氧化溶解的弱点。第三，阳极催化电极的制备不使用粘结剂和导电剂，减小了欧姆电阻，解决了硼氢化钠燃料电池阳极活性差的问题。第四，塑料较金属集流体易加工，价格低廉，大大降低了电极制备成本。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
(1).取普通的塑料纸一张；(2).取耐碱性双面胶带，将一面贴于塑料表面；(3).将石墨烯按10-15mg·cm-2涂覆于双面胶带的另一面；(4).采用4-8MPa压力将石墨烯压实；(5).将沾附石墨烯的塑料置于每升含6g Co(NO3)2和1g NH4Cl的水溶液中，先在1.0V电压将电极活化下3min，进而在-1V下进行Co的电沉积保持0.5～1.0小时；(6).将制备好的贴附石墨烯的塑料钴电极基体置于含0.8mmol·mL-1的AuCl4 -溶液中3-5min，即得到石墨烯贴附塑料负载AuCo催化剂。
载体塑料包括：环氧树脂塑料、酚醛塑料、乙烯塑料、聚苯乙烯塑料和聚四氟乙烯-乙烯共聚物塑料，以及其衍生塑料。
石墨烯包括各种方法制备石墨烯、氧化石墨烯及其混合物。
为了更好地说明本发明工艺的效果，下面以具体使用实例加以说明。
使用实施例1
以石墨烯贴附塑料负载AuCo为工作电极，碳棒为对电极，以Ag/AgCl为参比电极，在1mol/L的NaOH和0.10mol/L的NaBH4的溶液中，-0.4V vs.Ag/AgCl的电压下，计时电流密度达230mA/cm2。
使用实施例2
以石墨烯贴附塑料负载AuCo为工作电极，碳棒为对电极，以Ag/AgCl为参比电极，在2M的NaOH和0.50M的NaBH4的溶液中，-0.4V vs.Ag/AgCl的电压下，计时电流密度达476mA/cm2。
实使用施例3
以石墨烯贴附塑料负载AuCo催化NaBH4电氧化为阳极，3mol/L的KOH为阳极电解质溶液，1mol/L的硼氢化钠为燃料；以泡沫镍上负载的纳米Pd催化H2O2直接电还原为阴极，以3mol/L的KOH和0.6mol/L-1H2O2作为阴极电解液；Nafin-115质子交换摸作为隔膜；电池的最大功率密度为361mW/cm-2。
Claims (2)
1.一种石墨烯贴附塑料负载AuCo硼氢化钠电氧化催化剂的制备方法，其特征是：将耐碱性双面胶带的一面贴于塑料表面；将石墨烯按10-15mg·cm-2涂覆于双面胶带的另一面；采用4-8MPa压力将石墨烯压实；将沾附石墨烯的塑料置于每升含6g Co(NO3)2和1g NH4Cl的水溶液中，先在1.0V电压下活化3min，进而在-1V下进行Co的电沉积保持0.5～1.0小时；将制备好的贴附石墨烯的塑料钴基体置于含0.8mmol·mL-1的AuCl4 -溶液中3-5min。
2.根据权利要求1所述的石墨烯贴附塑料负载AuCo硼氢化钠电氧化催化剂的制备方法，其特征是：所述的塑料为环氧树脂塑料、酚醛塑料、乙烯塑料、聚苯乙烯塑料、聚四氟乙烯-乙烯共聚物塑料以及它们的衍生塑料。
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