CN105655601A - 直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硼氢化物燃料电池生产技术领域，提供了一种直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法，该方法包括：取Co2+溶液，向其中滴加氨水，搅拌，直至pH值为8.5～9，获得混合液，将所述混合液进行固液分离；取分离后的固相，依次进行清洗、烘干、研磨和焙烧，得到直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。本发明制备获得的阳极催化剂能够抑制直接硼氢化物燃料电池中阳极水解产氢的副反应，提高阳极燃料的放电效率。

Description

直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及硼氢化物燃料电池生产技术领域，具体而言，涉及一种直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法及应用。
背景技术
直接硼氢化物燃料电池(DBFC)，作为一种直接液体燃料电池，兼具质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)的优点，其理论比能量高达93kWh·kg-1(NaBH4)，并且具有较高的理论电动势(1.64V)和理论能量转换率(91％)，安全无毒，是一种理想的燃料电池。
目前，限制DBFC发展的主要障碍是：①制作成本高，具有较好催化性能的催化材料多为贵金属；②阳极硼氢化物的水解降低了燃料利用率；③燃料渗透所导致的封装问题。
现今研究的阳极催化剂，主要分为贵金属类(Au、Pt、Pd等)、过渡金属类(Ni、Cu等)、储氢合金类和二元合金类(Pd-Ir、Ag-Ni、Au-Ni、Cu-Pd等)；关于上述催化剂的相关研究较多，例如：
授权公告号为CN100463275C的发明专利申请公开了一种硼氢化物碱性燃料电池，该电池包括阳极、阴极和阴阳极之间的电解质，所述的阳极采用AB5型储氢合金作为催化剂，所述的阴极采用钙钛矿型金属氧化物LaMO3作为催化剂组成的阴极催化层，其中的M为Co，Ni，Mn或Fe，所述的电解质为含有硼氢化物的碱性溶液；所述的阴极催化层按照LaMO3：活性炭：粘接剂＝30:50:20的重量比组成；所述的LaMO3的载量为3.5～12.5mg/cm2。
申请公布号CN101667645A的发明专利申请公开了一种Ni基催化剂在直接硼氢化物燃料电池阳极中的应用，所述催化剂的活性组分由Ni与IB和VIIIB族中的一种或一种以上的金属元素组成，催化剂中Ni与其它金属活性组分的原子比为99:1～8:1，催化剂中活性组分的百分含量为5％～80％，余量为C载体。
申请公布号CN102380400A的发明专利申请公开了直接硼氢化物燃料电池核壳结构阳极催化剂及其制备方法，该催化剂是由内核为M、外壳为Au的核壳结构Mcore-Aushe11纳米复合粒子，核壳粒子的粒径为10～50nm。该发明所用的直接硼氢化物燃料电池核壳结构阳极催化剂对BH4 -氧化活性高，析氢少，提高了燃料利用率。
上述催化材料虽然对催化BH4 -有着较好的效果，可问题依旧无法完全解决，阳极材料依然是DBFC研究的关键之一。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法，该方法制备获得的阳极催化剂能够抑制直接硼氢化物燃料电池中阳极水解产氢的副反应，提高阳极燃料的放电效率。
本发明的第二目的在于提供一种直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的应用，该应用方法能够进一步提高直接硼氢化物燃料电池阳极材料的放电效率。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)取Co2+溶液，向其中滴加氨水，搅拌，直至pH值为8.5～9，获得混合液，将混合液进行固液分离；
(2)取分离后的固相，依次进行清洗、烘干、研磨和焙烧，得到直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。
本发明还提供了一种上述方法制备的直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。
本发明还提供了所述的直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂在制备直接硼氢化物燃料电池阳极材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
现有技术中所使用的阳极催化剂仍无法抑制直接硼氢化物燃料电池(DBFC)阳极水解产氢的副反应，不能够更好地提高阳极燃料(硼氢化物)的放电效率，而本发明制备的阳极催化剂采用了特定的合成方法，提高了阳极燃料的放电效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例1与对比例1制备的直接硼氢化物燃料电池的放电性能极化曲线；
图2为实施例1与对比例2、对比例3制备的直接硼氢化物燃料电池的放电性能极化曲线；
图3为实施例1与实施例2、实施例3制备的直接硼氢化物燃料电池的放电比容量对比图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明提供的直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)取Co2+溶液，向其中滴加氨水，搅拌，直至pH值为8.5～9，获得混合液，将混合液进行固液分离；
(2)取分离后的固相，依次进行清洗、烘干、研磨和焙烧，得到直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。
具体地，步骤(1)中，Co2+溶液为氯化钴、硝酸钴或醋酸钴中的一种。
经试验发现，使用不同的Co源制备的阳极催化剂的放电比容量不同，其中，采用氯化钴作为Co源制备阳极催化剂放电比容量提高最大。
作为优选，步骤(1)中，Co2+溶液为氯化钴。
烘干温度和时间对阳极催化剂的放电效率有影响，作为优选，步骤(2)中，烘干的温度为60～80℃，时间为20～25h。
作为优选，步骤(2)中，焙烧的控制过程为：1.5～2h内升温至200-350后，保温1.5～2.5h，再冷却至室温。
本发明还提供了直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂在制备直接硼氢化物燃料电池阳极材料中的应用。
作为优选，所述的应用，包括：将直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂、乙炔黑和聚四氟乙烯在无水乙醇中制成膏状物，将膏状物涂抹于镍上，干燥、碾压成所述阳极材料。
其中聚四氟乙烯作为粘合剂，聚四氟乙烯的较佳用量为：聚四氟乙烯占硼氢化物燃料电池阳极催化剂、乙炔黑和聚四氟乙烯三者之和的4-6％，较佳时为5％。
作为优选，直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂与乙炔黑的质量比为45～55:1。
作为优选，阳极材料的厚度为0.4～0.6mm。
实施例1
一、直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂Co3O4的合成
具体方法如下：
(1)配制浓度为1mol·L-1的氯化钴溶液，向该溶液中逐滴滴加氨水并搅拌，直至混合液颜色变绿且测得其pH值为8.5～9区间时，停止滴加氨水，搅拌混合液30min后，对其进行抽滤。
(2)抽滤同时分别先后用去离子水和酒精洗涤抽滤时所得固相，去离子水洗涤3次，酒精洗涤2次；将洗涤后的固相在80℃温度下烘干24h；再将烘干的固相进行研磨，置于马弗炉内进行焙烧；焙烧温度控制过程为：先2h升温至275℃，再保温2h，随炉冷却至室温后，取出烧结产物，获得直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂，即：Co3O4。
二、直接硼氢化物燃料电池的制备
(1)将100mgCo3O4、2mg乙炔黑与5.5mg聚四氟乙烯(PTFE)在无水乙醇中调成膏状物，然后将其均匀涂敷于1cm×1cm大小的泡沫镍上，经80℃真空干燥8h后碾压成厚度为0.5mm的阳极。
测试前将阳极置于6MKOH+0.8MKBH4溶液中浸泡1-2小时进行活化处理。
(2)按质量比为2：3的乙炔黑：PTFE乳液在无水乙醇中超声分散并滚压至厚度为0.2mm膜，经340℃高温烘干3h后制成防水透气层。
按LaNiO3(载量为7.5mg·cm-2)：活性炭：聚四氟乙烯(PTFE)为30％:45％:25％的配制阴极催化剂，经无水乙醇分散后制成膏状物并涂敷在泡沫镍上辊压成催化层(AL)，待干燥后与防水透气层滚压复合成厚度为0.6mm阴极。
(3)电池组装所使用的隔膜为镍氢电池专用隔膜纸(FS2226-14E)。
所有测试均在室温和空气条件下进行。
实施例2
一、直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂Co3O4的合成
具体方法如下：
(1)配制浓度为1mol·L-1的硝酸钴溶液，向该溶液中逐滴滴加氨水并搅拌，直至混合液颜色变绿且测得其pH值为8.5～9区间时，停止滴加氨水，搅拌混合液30min后，对其进行抽滤。
(2)抽滤同时分别先后用去离子水和酒精洗涤抽滤时所得固相，去离子水洗涤3次，酒精洗涤2次；将洗涤后的固相在80℃温度下烘干24h；再将烘干的固相进行研磨，置于马弗炉内进行焙烧；焙烧温度控制过程为：先2h升温至275℃，再保温2h，随炉冷却至室温后，取出烧结产物，获得直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂，即：Co3O4。
二、直接硼氢化物燃料电池的制备
(1)将100mgCo3O4、2mg乙炔黑与5.5mg聚四氟乙烯(PTFE)在无水乙醇中调成膏状物，然后将其均匀涂敷于1cm×1cm大小的泡沫镍上，经80℃真空干燥8h后碾压成厚度为0.5mm的阳极。
测试前将阳极置于6MKOH+0.8MKBH4溶液中浸泡1-2小时进行活化处理。
(2)按质量比为2：3的乙炔黑：PTFE乳液在无水乙醇中超声分散并滚压至厚度为0.2mm膜，经340℃高温烘干3h后制成防水透气层。
按LaNiO3(载量为7.5mg·cm-2)：活性炭：聚四氟乙烯(PTFE)为30％:45％:25％的配制阴极催化剂，经无水乙醇分散后制成膏状物并涂敷在泡沫镍上辊压成催化层(AL)，待干燥后与防水透气层滚压复合成厚度为0.6mm阴极。
(3)电池组装所使用的隔膜为镍氢电池专用隔膜纸(FS2226-14E)。
所有测试均在室温和空气条件下进行。
实施例3
一、直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂Co3O4的合成
具体方法如下：
(1)配制浓度为1mol·L-1的醋酸钴溶液，向该溶液中逐滴滴加氨水并搅拌，直至混合液颜色变绿且测得其pH值为8.5～9区间时，停止滴加氨水，搅拌混合液30min后，对其进行抽滤。
(2)抽滤同时分别先后用去离子水和酒精洗涤抽滤时所得固相，去离子水洗涤3次，酒精洗涤2次；将洗涤后的固相在80℃温度下烘干24h；再将烘干的固相进行研磨，置于马弗炉内进行焙烧；焙烧温度控制过程为：先2h升温至275℃，再保温2h，随炉冷却至室温后，取出烧结产物，获得直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂，即：Co3O4。
二、直接硼氢化物燃料电池的制备
(1)将100mgCo3O4、2mg乙炔黑与5.5mg聚四氟乙烯(PTFE)在无水乙醇中调成膏状物，然后将其均匀涂敷于1cm×1cm大小的泡沫镍上，经80℃真空干燥8h后碾压成厚度为0.5mm的阳极。
测试前将阳极置于6MKOH+0.8MKBH4溶液中浸泡1-2小时进行活化处理。
(2)按质量比为2：3的乙炔黑：PTFE乳液在无水乙醇中超声分散并滚压至厚度为0.2mm膜，经340℃高温烘干3h后制成防水透气层。
按LaNiO3(载量为7.5mg·cm-2)：活性炭：聚四氟乙烯(PTFE)为30％:45％:25％的配制阴极催化剂，经无水乙醇分散后制成膏状物并涂敷在泡沫镍上辊压成催化层(AL)，待干燥后与防水透气层滚压复合成厚度为0.6mm阴极。
(3)电池组装所使用的隔膜为镍氢电池专用隔膜纸(FS2226-14E)。
所有测试均在室温和空气条件下进行。
对比例1
一、采用CoO作为直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂
二、直接硼氢化物燃料电池的制备
(1)将100mgCoO、2mg乙炔黑与5.5mg聚四氟乙烯(PTFE)在无水乙醇中调成膏状物，然后将其均匀涂敷于1cm×1cm大小的泡沫镍上，经80℃真空干燥8h后碾压成厚度为0.5mm的阳极。
测试前将阳极置于6MKOH+0.8MKBH4溶液中浸泡1-2小时进行活化处理。
(2)按质量比为2：3的乙炔黑：PTFE乳液在无水乙醇中超声分散并滚压至厚度为0.2mm膜，经340℃高温烘干3h后制成防水透气层。
按LaNiO3(载量为7.5mg·cm-2)：活性炭：聚四氟乙烯(PTFE)为30％:45％:25％的配制阴极催化剂，经无水乙醇分散后制成膏状物并涂敷在泡沫镍上辊压成催化层(AL)，待干燥后与防水透气层滚压复合成厚度为0.6mm阴极。
(3)电池组装所使用的隔膜为镍氢电池专用隔膜纸(FS2226-14E)。
所有测试均在室温和空气条件下进行。
对比例2
一、采用Ni1Au1/C作为直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂
二、直接硼氢化物燃料电池的制备
(1)将100mgCoO、2mg乙炔黑与5.5mg聚四氟乙烯(PTFE)在无水乙醇中调成膏状物，然后将其均匀涂敷于1cm×1cm大小的泡沫镍上，经80℃真空干燥8h后碾压成厚度为0.5mm的阳极。
测试前将阳极置于6MKOH+0.8MKBH4溶液中浸泡1-2小时进行活化处理。
(2)按质量比为2：3的乙炔黑：PTFE乳液在无水乙醇中超声分散并滚压至厚度为0.2mm膜，经340℃高温烘干3h后制成防水透气层。
按LaNiO3(载量为7.5mg·cm-2)：活性炭：聚四氟乙烯(PTFE)为30％:45％:25％的配制阴极催化剂，经无水乙醇分散后制成膏状物并涂敷在泡沫镍上辊压成催化层(AL)，待干燥后与防水透气层滚压复合成厚度为0.6mm阴极。
(3)电池组装所使用的隔膜为镍氢电池专用隔膜纸(FS2226-14E)。
所有测试均在室温和空气条件下进行。
对比例3
一、采用Pt/NPC作为直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂
二、直接硼氢化物燃料电池的制备
(1)将100mgCoO、2mg乙炔黑与5.5mg聚四氟乙烯(PTFE)在无水乙醇中调成膏状物，然后将其均匀涂敷于1cm×1cm大小的泡沫镍上，经80℃真空干燥8h后碾压成厚度为0.5mm的阳极。
测试前将阳极置于6MKOH+0.8MKBH4溶液中浸泡1-2小时进行活化处理。
(2)按质量比为2：3的乙炔黑：PTFE乳液在无水乙醇中超声分散并滚压至厚度为0.2mm膜，经340℃高温烘干3h后制成防水透气层。
按LaNiO3(载量为7.5mg·cm-2)：活性炭：聚四氟乙烯(PTFE)为30％:45％:25％的配制阴极催化剂，经无水乙醇分散后制成膏状物并涂敷在泡沫镍上辊压成催化层(AL)，待干燥后与防水透气层滚压复合成厚度为0.6mm阴极。
(3)电池组装所使用的隔膜为镍氢电池专用隔膜纸(FS2226-14E)。
所有测试均在室温和空气条件下进行。
实验例
测定上述实施例1和对比例1～3的放电能力和功率密度，结果如图1和图2所示。
从图1中可以看出，与对比例1采用的CoO相比，以实施例1采用的Co3O4作为阳极催化剂，获得的直接硼氢化物燃料电池(DBFC)的放电能力和功率密度均得到相应提高。
从图2中可以看出与对比例2采用的Ni1Au1/C、对比例3采用的Pt/NPC相比，以实施例1采用的Co3O4作为阳极催化剂，获得的直接硼氢化物燃料电池(DBFC)的放电能力和功率密度均得到相应提高。
从图3中可以看出，通过采用实施例1的A氯化钴、实施例2的B硝酸钴、实施例3的C醋酸钴作为Co源所制备的Co3O4-A、Co3O4-B、Co3O4-C作为DBFC阳极催化剂，采用Co3O4-A作为阳极催化剂的DBFC的放电比容量提高很大，放电电流为50mA，电极面积为1cm2。
综上所述，DBFC的放电能力和放电效率有很大提高。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取Co2+溶液，向其中滴加氨水，搅拌，直至pH值为8.5～9，获得混合液，将所述混合液进行固液分离；
(2)取分离后的固相，依次进行清洗、烘干、研磨和焙烧，得到直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的Co2+溶液为氯化钴、硝酸钴或醋酸钴中的一种。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的Co2+溶液为氯化钴。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烘干的温度为60～80℃，时间为20～25h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述焙烧的控制过程为：1.5～2h内升温至200-350℃后，保温1.5～2.5h，再冷却至室温。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的制备方法制备的直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。
7.根据权利要求6所述的直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂在制备直接硼氢化物燃料电池阳极材料中的应用。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，包括：将乙炔黑、聚四氟乙烯和所述直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂在无水乙醇中制成膏状物，将膏状物涂抹于镍上，干燥、碾压成所述阳极材料。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂与乙炔黑的质量比为45～55:1。
10.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述阳极材料的厚度为0.4～0.6mm。
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