CN104716333B - 一种有序化气体扩散电极及其制备方法和应用 - Google Patents

一种有序化气体扩散电极及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN104716333B
CN104716333B CN201310692407.0A CN201310692407A CN104716333B CN 104716333 B CN104716333 B CN 104716333B CN 201310692407 A CN201310692407 A CN 201310692407A CN 104716333 B CN104716333 B CN 104716333B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
gas diffusion
carbon
skeleton structure
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310692407.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104716333A (zh
Inventor
孙公权
夏章讯
王素力
姜鲁华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN201310692407.0A priority Critical patent/CN104716333B/zh
Publication of CN104716333A publication Critical patent/CN104716333A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104716333B publication Critical patent/CN104716333B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明涉及一种新型多孔骨架结构膜电极及其制备和应用，所述膜电极由气体扩散层和催化层组成，所述气体扩散层为Vulcan XC‑72碳粉、乙炔黑碳粉、碳纳米管或石墨烯混合PTFE或Nafion担载于支撑层上所制得，所述催化层为多孔骨架结构催化层，其由于气体扩散层表面形成的Nafion聚离子、碳材料以及其上担载的纳米铂粒子构成的多孔骨架结构组成。本发明所述有序化膜电极具有贵金属Pt利用率高、稳定性高、传质阻力低等优点，可有效降低燃料电池催化剂成本，提高燃料电池性能及寿命；同时，本发明所述膜电极可有效增强燃料在催化层中的传质，从而提高燃料的利用率；本发明所述有序化膜电极可作为质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池和质子交换膜水型电解池用膜电极。

Description

一种有序化气体扩散电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种新型多孔骨架结构气体扩散电极，具体的说是一种可用于质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池、金属空气电池、质子交换膜型水电解池的气体扩散电极。
本发明还涉及上述新型多孔骨架结构气体扩散电极的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池由于其高效、环境友好等特点，近年来受到各国研究机构的密切关注。膜电极(MEA)作为燃料电池的核心部件，通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。催化层是膜电极组件(MEA)中发生电化学反应的场所，催化层的性能和稳定性极大程度上决定了MEA的电化学性能，同时催化层中的电催化剂的成本也占了MEA总成本的很大比例。为了提高催化层的性能及稳定性，降低其中电催化剂用量，设计制备具备微观结构有序化催化层的MEA是一种新的方法。目前，常用的MEA中催化层的制备方法为：将电催化剂分散在乙醇，乙二醇等溶剂中，加入适量作为粘结剂，充分分散形成均匀的催化剂浆液。该催化剂浆液通过喷涂，刷涂等方法制备于扩散层上形成GDE结构气体扩散电极，或者制备于质子交换膜上形成CCM结构的膜电极。上述传统的气体扩散电极或膜电极中，催化剂颗粒在粘结剂作用下形成疏松多孔的薄层，反应物在无序孔道中的传质阻力较大，影响电池综合性能。
综上所述，制备开发具有有序空隙结构催化层的MEA对于降低质子交换膜燃料电池成本以及提高质子交换膜燃料电池性能至关重要。
骨架结构是一种具有纳米或微米尺度的有序多孔结构，它可由Nafion聚离子等聚合物的溶液，经过冷冻干燥，由于溶剂的冷凝-升华过程，形成有序的多孔骨架。这种骨架结构可与多种导电载体进行复合，例如碳粉、碳纳米管以及石墨烯等，从而形成具有电子通道和离子通道的复合结构，十分适合于质子交换膜燃料电池催化层结构的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型多孔骨架结构气体扩散电极，该气体扩散电极具有Pt催化剂稳定性高、有效利用率高、催化层传质性能好等优点，可用作质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池和质子交换膜型水电解池中。
为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：
一种有序化气体扩散电极，包括气体扩散层和基于气体扩散层的多孔骨架结构催化层，多孔骨架结构催化层附着于气体扩散层一侧表面，且微观上具有规则的孔隙结构。
所述多孔骨架结构催化层是以Nafion聚离子为骨架，于Nafion聚离子上附着有催化剂；所述催化剂为担载型Pt或Pt合金的纳米粒子。
所述具有规则的孔隙结构为于扩散层一侧表面纳米骨架形成均匀分布的孔隙，且孔隙之间相互连通，孔径大小为0.5微米至10微米。
所述气体扩散层由支撑层和微孔层组成；所述支撑层为碳纸或碳布；所述微孔层为XC-72碳粉、BP2000、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯中的一种或两种以上混合PTFE和/或Nafion后通过刮涂、刷涂或喷涂至支撑层表面制得；所述多孔骨架结构催化层附着于气体扩散层的微孔层一侧表面。
所述担载型Pt或Pt合金的纳米粒子中，载体材料为XC-72碳粉、BP2000、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氧化石墨中的一种或二种以上；Pt合金为PtCo、PtFe、PtNi、PtRu、PtPd、PtSn、PtPb中的一种；催化剂中Pt或Pt合金纳米粒子担载量为5-75wt.％。
所述催化层中Nafion聚离子的质量百分含量为5-85％。
所述气体扩散电极的制备方法，包括以下制备步骤，
a.多孔骨架结构复合前体浆液的制备：
采用离子交换法将Pt前体盐、或Co、Fe、Ni、Pd、Ru、Sn、Pb中任一一种的前体盐与Pt的前体盐的混合溶液离子交换至载体表面；再与Nafion聚离子溶液混合，浓缩至固含量为5-20wt.％，形成制备多孔骨架结构的浆液；
b.催化层的冷冻干燥还原制备：
将上述步骤a所得浆液制备于气体扩散层表面，置于冷冻干燥器中冷冻干燥24-48小时；取出后于氢气气氛下、200-500℃还原2-8小时，得多孔骨架结构催化层。
步骤a中，所述离子交换方法具体为将载体于水溶液中分散均匀，加入Pt前体盐、或Co、Fe、Ni、Pd、Ru、Sn、Pb中任一一种的前体盐与Pt的前体盐的混合溶液，60-90℃条件下反应24-72小时；
步骤a中，所述Pt前体盐或前体盐的混合溶液的盐浓度为1-20mg/mL；
步骤a中，所述Nafion聚离子占固含量的比例为5-85％。
步骤a中，所述载体为XC-72碳粉、BP2000、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氧化石墨中的一种或二种以上；所述载体浓度为0.01-1wt.％。
所述气体扩散电极的应用，该电极可用作质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池、金属空气电池、质子交换膜型水电解池中的气体扩散电极。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.催化层稳定性高：本发明所述气体扩散电极与采用传统工艺制备的膜电极(包括GDE结构的气体扩散电极和CCM结构的膜电极，下同)相比，因电子通道与质子通道形成有序的复合机构，具有稳定性高的优点；
2.催化剂利用率高：采用本发明所述方法制备的多孔骨架结构气体扩散电极相比于传统膜电极，增大了催化剂的有效利用面积，提高了催化剂的单位质量氧还原能力；
3.催化层中传质性能好：采用本发明所述多孔骨架结构气体扩散电极，由于其催化层形成有序的孔结构，相比于传统无序排布的催化层，燃料或氧化剂在催化层中的传质性能更优；
4.实用性强：本方法制备过程简单可控，反应条件温和，适用于大多数气体扩散多孔电极的制备。
附图说明
图1本发明所述(a)多孔骨架结构气体扩散电极、(b)传统气体扩散电极结构示意图。从图中可以看出，与传统气体扩散电极(b)相比，①多孔骨架结构气体扩散电极(a)孔结构更加丰富；②质子传输通道与电子传输通道有序分布；③催化活性粒子能充分暴露于三相反应界面。
图2一种采用本发明所述方法制备的多孔骨架结构气体扩散电极的扫描电镜照片(a)实施例1；(b)实施例2。
图3一种采用本发明所述方法制备的多孔骨架结构气体扩散电极的透射电镜照片(a)实施例1；(b)实施例2。
图4一种采用本发明所述方法制备的多孔骨架结构气体扩散电极与传统方法制备电极的水接触角测试照片(a)实施例1；(b)对比例1。
图5一种采用本发明所述方法制备的多孔骨架结构气体扩散电极的气体渗透性测试结果(实施例1-5)。
图6一种采用本发明所述方法制备的多孔骨架结构气体扩散电极的半电池电化学测试结果(a)循环伏安测试结果(实施例1)；(b)氧还原测试结果(实施例1-5)。
具体实施方式
以下通过实例对本发明作详细描述，但本发明不仅限于以下实施例。
实施例1：
1)气体扩散层的制备：
将Toray碳纸浸泡于20％的PTFE水溶液中，充分浸润后取出风干，称重。反复进行上述步骤，直至PTFE载量为15％左右。将Vulcan XC-72碳粉与相对于总质量10％的PTFE水溶液混合均匀，用乙醇烯释后，在超声条件下分散20分钟，搅拌均匀。将上述疏水化处理的碳纸置于玻璃板上固定，将上述浆液刮涂于碳纸表面，称重，直至碳粉载量为1mg·cm-2，即得到气体扩散层。
2)多孔骨架结构气体扩散电极的制备：
a.多孔骨架结构复合前体浆液的制备
将50mg氧化石墨分散于100mL去离子水中，超声分散均匀后；加入80mg二亚硝基二胺铂，将混合溶液加热至70℃，持续搅拌，反应48小时，充分进行离子交换；将含有5％的Nafion溶液8g加入至上述混合溶液中，70摄氏度持续搅拌6小时；将混合溶液加热挥发溶剂，至总质量为2.5g(固含量20％)。
b.催化层的冷冻干燥还原制备
将上述a步骤制备的浆液刮涂至气体扩散层表面，液氮充分冷冻后置于冷冻干燥器中-52摄氏度、10Pa条件下冷冻干燥24小时；取出后置于管式炉中250摄氏度氢气还原4小时，即可得所制备的多孔骨架结构气体扩散电极。
实施例2：
1)气体扩散层的制备：
将Toray碳纸浸泡于20％的PTFE水溶液中，充分浸润后取出风干，称重。反复进行上述步骤，直至PTFE载量为15％左右。将Vulcan XC-72碳粉与相对于总质量10％的PTFE水溶液混合均匀，用乙醇烯释后，在超声条件下分散20分钟，搅拌均匀。将上述疏水化处理的碳纸置于玻璃板上固定，将上述浆液刮涂于碳纸表面，称重，直至碳粉载量为1mg cm-2，即得到气体扩散层。
2)多孔骨架结构气体扩散电极的制备：
a.多孔骨架结构复合前体浆液的制备
将80mg氧化石墨分散于100mL去离子水中，超声分散均匀后；加入80mg二亚硝基二胺铂，将混合溶液加热至70℃，持续搅拌，反应48小时，充分进行离子交换；将含有5％的Nafion溶液6g加入至上述混合溶液中，70摄氏度持续搅拌6小时；将混合溶液加热挥发溶剂，至总质量为2.5g(固含量20％)。
b.催化层的冷冻干燥还原制备
将上述a步骤制备的浆液刮涂至气体扩散层表面，液氮充分冷冻后置于冷冻干燥器中-52摄氏度、10Pa条件下冷冻干燥24小时；取出后置于管式炉中250摄氏度氢气还原4小时，即可得所制备的多孔骨架结构气体扩散电极。
实施例3：
1)气体扩散层的制备：
将Toray碳纸浸泡于20％的PTFE水溶液中，充分浸润后取出风干，称重。反复进行上述步骤，直至PTFE载量为15％左右。将Vulcan XC-72碳粉与相对于总质量10％的PTFE水溶液混合均匀，用乙醇烯释后，在超声条件下分散20分钟，搅拌均匀。将上述疏水化处理的碳纸置于玻璃板上固定，将上述浆液刮涂于碳纸表面，称重，直至碳粉载量为1mg cm-2，即得到气体扩散层。
2)多孔骨架结构气体扩散电极的制备：
a.多孔骨架结构复合前体浆液的制备
将100mg氧化石墨分散于100mL去离子水中，超声分散均匀后；加入80mg二亚硝基二胺铂，将混合溶液加热至70℃，持续搅拌，反应48小时，充分进行离子交换；将含有5％的Nafion溶液5g加入至上述混合溶液中，70℃持续搅拌6小时；将混合溶液加热挥发溶剂，至总质量为2.5g(固含量20％)。
b.催化层的冷冻干燥还原制备
将上述a步骤制备的浆液刮涂至气体扩散层表面，液氮充分冷冻后置于冷冻干燥器中-52摄氏度、10Pa条件下冷冻干燥24小时；取出后置于管式炉中250摄氏度氢气还原4小时，即可得所制备的多孔骨架结构气体扩散电极。
实施例4：
1)气体扩散层的制备：
将Toray碳纸浸泡于20％的PTFE水溶液中，充分浸润后取出风干，称重。反复进行上述步骤，直至PTFE载量为15％左右。将Vulcan XC-72碳粉与相对于总质量10％的PTFE水溶液混合均匀，用乙醇烯释后，在超声条件下分散20分钟，搅拌均匀。将上述疏水化处理的碳纸置于玻璃板上固定，将上述浆液刮涂于碳纸表面，称重，直至碳粉载量为1mg cm-2，即得到气体扩散层。
2)多孔骨架结构气体扩散电极的制备：
a.多孔骨架结构复合前体浆液的制备
将200mg氧化石墨分散于100mL去离子水中，超声分散均匀后；加入80mg二亚硝基二胺铂，将混合溶液加热至70℃，持续搅拌，反应48小时，充分进行离子交换；将含有5％的Nafion溶液4g加入至上述混合溶液中，70℃度持续搅拌6小时；将混合溶液加热挥发溶剂，至总质量为2.5g(固含量20％)。
b.催化层的冷冻干燥还原制备
将上述a步骤制备的浆液刮涂至气体扩散层表面，液氮充分冷冻后置于冷冻干燥器中-52摄氏度、10Pa条件下冷冻干燥24小时；取出后置于管式炉中250摄氏度氢气还原4小时，即可得所制备的多孔骨架结构气体扩散电极。
实施例5：
1)气体扩散层的制备：
将Toray碳纸浸泡于20％的PTFE水溶液中，充分浸润后取出风干，称重。反复进行上述步骤，直至PTFE载量为15％左右。将Vulcan XC-72碳粉与相对于总质量10％的PTFE水溶液混合均匀，用乙醇烯释后，在超声条件下分散20分钟，搅拌均匀。将上述疏水化处理的碳纸置于玻璃板上固定，将上述浆液刮涂于碳纸表面，称重，直至碳粉载量为1mg cm-2，即得到气体扩散层。
2)多孔骨架结构气体扩散电极的制备：
a.多孔骨架结构复合前体浆液的制备
将50mg多壁碳纳米管分散于100mL去离子水中，超声分散均匀后；加入80mg二亚硝基二胺铂，将混合溶液加热至70℃，持续搅拌，反应48小时，充分进行离子交换；将含有5％的Nafion溶液8g加入至上述混合溶液中，70℃持续搅拌6小时；将混合溶液加热挥发溶剂，至总质量为2.5g(固含量20％)。
b.催化层的冷冻干燥还原制备
将上述a步骤制备的浆液刮涂至气体扩散层表面，液氮充分冷冻后置于冷冻干燥器中-52摄氏度、10Pa条件下冷冻干燥24小时；取出后置于管式炉中250摄氏度氢气还原4小时，即可得所制备的多孔骨架结构气体扩散电极。
实施例6：
1)气体扩散层的制备：
将SGL碳纸浸泡于20％的PTFE水溶液中，充分浸润后取出风干，称重。反复进行上述步骤，直至PTFE载量为15％左右。将Vulcan XC-72碳粉与相对于总质量10％的Nafion溶液混合均匀，用乙醇烯释后，在超声条件下分散20分钟，搅拌均匀。将上述疏水化处理的碳纸置于玻璃板上固定，将上述浆液刮涂于碳纸表面，称重，直至载量为1mg cm-2。即得到阳极气体扩散层。
2)多孔骨架结构气体扩散电极的制备：
a.多孔骨架结构复合前体浆液的制备
将50mgXC-72碳粉分散于100mL去离子水中，超声分散均匀后；加入80mg二亚硝基二胺铂，将混合溶液加热至70℃，持续搅拌，反应48小时，充分进行离子交换；将含有5％的Nafion溶液8g加入至上述混合溶液中，70℃持续搅拌6小时；将混合溶液加热挥发溶剂，至总质量为2.5g(固含量20％)。
b.催化层的冷冻干燥还原制备
将上述a步骤制备的浆液刮涂至气体扩散层表面，液氮充分冷冻后置于冷冻干燥器中-52摄氏度、10Pa条件下冷冻干燥24小时；取出后置于管式炉中250摄氏度氢气还原4小时，即可得所制备的多孔骨架结构气体扩散电极。
对比例1：
1)气体扩散层的制备：
将Toray碳纸浸泡于20％的PTFE水溶液中，充分浸润后取出风干，称重。反复进行上述步骤，直至PTFE载量为15％左右。将Vulcan XC-72碳粉与相对于总质量10％的PTFE水溶液混合均匀，用乙醇烯释后，在超声条件下分散20分钟，搅拌均匀。将上述疏水化处理的碳纸置于玻璃板上固定，将上述浆液刮涂于碳纸表面，称重，直至碳粉载量为1mg·cm-2，即得到气体扩散层。
2)传统气体扩散电极的制备：
a.传统结构复合前体浆液的制备
将50mg氧化石墨分散于100mL去离子水中，超声分散4小时；加入80mg二亚硝基二胺铂，将混合溶液加热至70℃，持续搅拌，反应48小时，充分进行离子交换；将含有5％的Nafion溶液8g加入至上述混合溶液中，70℃持续搅拌6小时；将混合溶液加热挥发溶剂，至总质量为2.5g(固含量20％)。
b.传统催化层干燥还原制备
将上述a步骤制备的浆液刮涂至气体扩散层表面，空气中风干；取出后置于管式炉中250℃氢气还原4小时，即可得所制备的传统结构气体扩散电极。
对比例2：
1)气体扩散层的制备：
将Toray碳纸浸泡于20％的PTFE水溶液中，充分浸润后取出风干，称重。反复进行上述步骤，直至PTFE载量为15％左右。将Vulcan XC-72碳粉与相对于总质量10％的PTFE水溶液混合均匀，用乙醇烯释后，在超声条件下分散20分钟，搅拌均匀。将上述疏水化处理的碳纸置于玻璃板上固定，将上述浆液刮涂于碳纸表面，称重，直至载量为1mg·cm-2，即得到阴极气体扩散层。
2)催化剂浆液的制备：
将3mg商品铂黑催化剂(JM)置于烧杯中，加入50mg去离子水，超声分散5分钟。再加入7mg 5％的Nafion溶液(DuPont)，超声分散5分钟。加入50mg无水乙醇，超声分散30分钟，得到催化剂浆液。
3)催化层的制备：
将上述步骤1)所得样品固定于真空热台上，加热至60℃，30分钟后取下称重，重新固定于热台上；取上述将步骤2)所得催化剂浆液随氮气用喷笔均匀喷涂于步骤1)所得样品表面，喷涂结束后，在60℃下保持30分钟，取下称重，催化剂载量约为0.5mg·cm-2。得到传统结构膜电极。

Claims (8)

1.一种有序化气体扩散电极，其特征在于：包括气体扩散层和基于气体扩散层的多孔骨架结构催化层，多孔骨架结构催化层附着于气体扩散层一侧表面，且微观上具有规则的孔隙结构；
所述多孔骨架结构催化层是以Nafion聚离子为骨架，于Nafion聚离子上附着有催化剂；所述催化剂为担载型Pt或Pt合金的纳米粒子；
所述具有规则的孔隙结构为于扩散层一侧表面纳米骨架形成均匀分布的孔隙，且孔隙之间相互连通，孔径大小为0.5微米至10微米。
2.如权利要求1所述气体扩散电极，其特征在于：所述气体扩散层由支撑层和微孔层组成；所述支撑层为碳纸或碳布；所述微孔层为XC-72碳粉、BP2000、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯中的一种或两种以上混合PTFE和/或Nafion后通过刮涂、刷涂或喷涂至支撑层表面制得；所述多孔骨架结构催化层附着于气体扩散层的微孔层一侧表面。
3.如权利要求1所述气体扩散电极，其特征在于：所述担载型Pt或Pt合金的纳米粒子中，载体材料为XC-72碳粉、BP2000、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氧化石墨中的一种或二种以上；Pt合金为PtCo、PtFe、PtNi、PtRu、PtPd、PtSn、PtPb中的一种；催化剂中Pt或Pt合金纳米粒子担载量为5-75wt.％。
4.如权利要求1所述气体扩散电极，其特征在于：所述催化层中Nafion聚离子的质量百分含量为5-85％。
5.一种权利要求1-4任一所述气体扩散电极的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤，
a.多孔骨架结构复合前体浆液的制备：
采用离子交换法将Pt前体盐、或Co、Fe、Ni、Pd、Ru、Sn、Pb中任一前体盐与Pt的前体盐的混合溶液离子交换至载体表面；再与Nafion聚离子溶液混合，浓缩至固含量为5-20wt.％，形成制备多孔骨架结构的浆液；
b.催化层的冷冻干燥还原制备：
将上述步骤a所得浆液制备于气体扩散层表面，置于冷冻干燥器中冷冻干燥24-48小时；取出后于氢气气氛下、200-500℃还原2-8小时，得多孔骨架结构催化层。
6.如权利要求5所述气体扩散电极的制备方法，其特征在于：
步骤a中，所述离子交换方法具体为将载体于水溶液中分散均匀，加入Pt前体盐、或Co、Fe、Ni、Pd、Ru、Sn、Pb中任一前体盐与Pt的前体盐的混合溶液，60-90℃条件下反应24-72小时；步骤a中，所述Pt前体盐或前体盐的混合溶液的盐浓度为1-20mg/mL；步骤a中，所述Nafion聚离子占固含量的比例为5-85％。
7.如权利要求5所述气体扩散电极的制备方法，其特征在于：
步骤a中，所述载体为XC-72碳粉、BP2000、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氧化石墨中的一种或二种以上；所述载体浓度为0.01-1wt.％。
8.一种权利要求1-4任一所述气体扩散电极的应用，其特征在于：该电极可用作质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池、金属空气电池、质子交换膜型水电解池中的气体扩散电极。
CN201310692407.0A 2013-12-15 2013-12-15 一种有序化气体扩散电极及其制备方法和应用 Active CN104716333B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310692407.0A CN104716333B (zh) 2013-12-15 2013-12-15 一种有序化气体扩散电极及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310692407.0A CN104716333B (zh) 2013-12-15 2013-12-15 一种有序化气体扩散电极及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104716333A CN104716333A (zh) 2015-06-17
CN104716333B true CN104716333B (zh) 2017-05-24

Family

ID=53415453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310692407.0A Active CN104716333B (zh) 2013-12-15 2013-12-15 一种有序化气体扩散电极及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104716333B (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106868535B (zh) * 2015-12-13 2018-08-24 中国科学院大连化学物理研究所 电化学还原二氧化碳制取碳氢化合物的气体扩散电极制备方法
CN106876727A (zh) * 2015-12-13 2017-06-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种氧化石墨烯修饰锌溴液流电池碳毡电极及其应用
CN106784883B (zh) * 2017-03-13 2019-07-16 大连理工大学 质子交换膜燃料电池平整无裂纹低碳载量微孔层的制备方法
CN109216671B (zh) * 2018-08-07 2021-05-14 南京工业大学 一种三维石墨烯-钛基纤维-铅粉铅酸蓄电池负极板的制备方法
CN109698361B (zh) * 2018-12-28 2021-09-21 成都新柯力化工科技有限公司 一种燃料电池气体扩散层用柔性石墨烯碳膜及制备方法
CN110492124B (zh) * 2019-07-17 2020-11-13 珠海冠宇电池股份有限公司 一种高导电性疏水气体扩散层及其制备方法
CN110797540A (zh) * 2019-11-04 2020-02-14 新源动力股份有限公司 一种高温低湿适用气体扩散层制备方法
CN112144076B (zh) * 2020-09-18 2023-08-22 碳能科技（北京）有限公司 一体化膜电极及其制备方法和应用
CN114188551A (zh) * 2021-11-12 2022-03-15 江苏大学 原位生长于气体扩散层上的铂钯合金催化剂的制备方法及其应用于燃料电池电极
CN113943943B (zh) * 2021-11-26 2022-12-09 浙江工业大学 一种用于硝基苯电解还原法制备对氨基苯酚的气体扩散电极及其制备和应用
CN115020736B (zh) * 2022-04-20 2024-01-26 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于纤维排布型微孔层的气体扩散层及其制备方法与应用
CN115189002B (zh) * 2022-07-30 2023-05-16 洛阳理工学院 一种动力燃料电池高传输性能膜电极的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4780437A (en) * 1987-02-11 1988-10-25 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fabrication of catalytic electrodes for molten carbonate fuel cells
CN102088092A (zh) * 2011-01-10 2011-06-08 北京科技大学 直接甲醇燃料电池用三维网络结构膜电极的制备方法
CN102683725A (zh) * 2012-06-07 2012-09-19 上海中科高等研究院 一种直接甲醇燃料电池膜电极集合体的制备方法
CN102769140A (zh) * 2012-07-30 2012-11-07 大连交通大学 一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法
CN103413947A (zh) * 2013-08-27 2013-11-27 武汉理工大学 燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4780437A (en) * 1987-02-11 1988-10-25 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fabrication of catalytic electrodes for molten carbonate fuel cells
CN102088092A (zh) * 2011-01-10 2011-06-08 北京科技大学 直接甲醇燃料电池用三维网络结构膜电极的制备方法
CN102683725A (zh) * 2012-06-07 2012-09-19 上海中科高等研究院 一种直接甲醇燃料电池膜电极集合体的制备方法
CN102769140A (zh) * 2012-07-30 2012-11-07 大连交通大学 一种质子交换膜燃料电池电极有序催化层制备方法
CN103413947A (zh) * 2013-08-27 2013-11-27 武汉理工大学 燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104716333A (zh) 2015-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104716333B (zh) 一种有序化气体扩散电极及其制备方法和应用
Hanif et al. ZIF derived PtNiCo/NC cathode catalyst for proton exchange membrane fuel cell
CN104716348B (zh) 一种纳米纤维网络结构电极及其制备方法和应用
Lv et al. In-situ embedding zeolitic imidazolate framework derived Co–N–C bifunctional catalysts in carbon nanotube networks for flexible Zn–air batteries
JP4031463B2 (ja) 液体燃料型固体高分子燃料電池用アノード電極、液体燃料型固体高分子燃料電池用膜電極複合体及び液体燃料型固体高分子燃料電池
JP4185064B2 (ja) 液体燃料型固体高分子燃料電池用カソード電極及び液体燃料型固体高分子燃料電池
Zhang et al. Recent progress in nanostructured electrocatalysts for PEM fuel cells
Daş et al. Graphene nanoplatelets-carbon black hybrids as an efficient catalyst support for Pt nanoparticles for polymer electrolyte membrane fuel cells
CN102881916B (zh) 载有双壳层核壳催化剂的气体扩散电极及其制备和应用
JP2007250274A (ja) 貴金属利用効率を向上させた燃料電池用電極触媒、その製造方法、及びこれを備えた固体高分子型燃料電池
CN103441287A (zh) 一种直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法
Li et al. Ni-Co-N doped honeycomb carbon nano-composites as cathodic catalysts of membrane-less direct alcohol fuel cell
CN103887531A (zh) 一种有序化气体扩散电极及其制备和应用
CN108780900A (zh) 燃料电池用碳粉末以及使用该燃料电池用碳粉末的催化剂、电极催化剂层、膜电极接合体及燃料电池
CN104485464A (zh) 一种基于普鲁士蓝的燃料电池用高稳定性、高活性Pt基催化剂及其制备方法
Wang et al. ZIF derived mesoporous carbon frameworks with numerous edges and heteroatom-doped sites to anchor nano-Pt electrocatalyst
Yu et al. Promoted stability and electrocatalytic activity of PtRu electrocatalyst derived from coating by cerium oxide with high oxygen storage capacity
CN103706375B (zh) 用于质子交换膜燃料电池的PtFe/C催化剂的制备方法
Seselj et al. Catalyst Development for High‐Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (HT‐PEMFC) Applications
CN103401000B (zh) 质子交换膜燃料电池用催化剂、其制备方法及质子交换膜燃料电池
CN109873174B (zh) 一种低温燃料电池用三维载体担载铂钯钴合金结构催化剂的制备方法
Li et al. Highly ordered 3D macroporous scaffold supported Pt/C oxygen electrodes with superior gas-proton transportation properties and activities for fuel cells
Wang et al. Nitrogen/phosphorus/boron-codoped hollow carbon spheres as highly efficient electrocatalysts for Zn–Air batteries
Pu et al. High performance MWCNT–Pt nanocomposite-based cathode for passive direct methanol fuel cells
JPWO2011136186A1 (ja) 電極材料

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant