CN109273730A - 一种氢燃料电池电极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池电极材料的制备方法，所述方法具体包括以下步骤：(1)用真空溅射的方法在碳纸上沉积一层生长纳米管的催化剂；(2)用等离子增强化学气相沉积法在碳纸表面原位生长碳纳米管；(3)用真空溅射的方法在碳纳米管上沉积铂颗粒。本发明氢燃料电池电极材料的制备方法过程简单合理，铂颗粒在碳纳米管上分散均匀且稳定，有效减少了催化剂铂的流失，提高了其使用的活性和稳定性，同时延长了其使用寿命。

Description

一种氢燃料电池电极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术，尤其是一种氢燃料电池电极材料的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学装置，其不需要大量储存电解液，装置简便易行。根据燃料的不同，燃料电池的产物水和二氧化碳对环境无污染。除此之外，燃料电池的能量密度高、可持续性强，能够提供高效稳定的电力供应，因此燃料电池在许多小型电子产品、汽车、飞机甚至于太空领域均有广泛的应用前景。近年来，随着燃料电池在生产生活中的应用，其应用技术相关的研究受到越来越多人的关注。燃料电池中所使用的燃料主要有氢气、天然气、甲醇、汽油和乙醇，氧气作为氧化剂。燃料电池不同于储能电池，燃料电池不储存任何能量，而是在燃料存在的情况下不断产生能量。燃料电池使用清洁能源，不需要任何尾气处理装置，与传统能量转化装置相比，燃料电池具有低排放和高能量效率的优势。根据燃料电池所使用的电解质膜材料的不同，将燃料电池分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，其中质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池因其具有较高的能量密度和装置简易性成为了目前应用最有前景的燃料电池装置，同时也被认为是最有希望取代传统能量转化装置的替代能源系统。
质子交换膜燃料电池在原理上相当于水电解的“逆”装置，由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂焙烧还原的场所，质子交换膜作为电解质，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，双极板常用石墨烯材料制作，具有高密度、高强度、无穿孔性漏气，在高压强下无变形、导电、导热性能优良，电极相容性好的特点，常用石墨双极板材厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽。为了进一步丰富氢燃料电池电极材料的种类，提高其催化性能，延长使用寿命，本发明提出了一种氢燃料电池电极材料的制备方法。
发明内容
为了丰富氢燃料电池电极材料的种类，拓展其制作方法，提高催化性能，延长使用寿命，本发明提出了一种氢燃料电池电极材料的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氢燃料电池电极材料的制备方法，所述方法具体包括以下步骤：
(1)用真空溅射的方法在碳纤维纸表面溅射沉积一层Co/Ni催化剂薄膜，在溅射过程通氩气进行保护；
(2)将步骤(1)处理后得到的碳纤维纸在氢气的保护下，在205～215℃焙烧4～6h进行还原；
(3)将步骤(2)得到的产物在甲烷气氛下，800～1000℃处理1～6h，采用等离子增强化学气相沉积法在碳纤维纸表面原位生长碳纳米管，降温至50～80℃后取出；气体压强200～800Pa，甲烷的流量为30～100sccm，射频功率为0～200W，负偏压为0～100V；
(4)将步骤(3)得到的产物以CO为原料气，在一定温度和压力下，使碳纳米管中的Co/Ni金属与CO发生羰化反应生成相应的羰基化合物，再在负压下将羰基化合物脱除，之后将产物置于真空干燥箱内干燥一段时间后冷却至室温取出；
(5)将步骤(4)所述产物用真空溅射的方法在碳纳米管上沉积铂颗粒，并在溅射的过程中通氩气进行保护。
上述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，所述步骤(3)碳纳米管的直径为50～100nm。
上述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，所述步骤(1)溅射气压0.5～0.7Pa，溅射电流为5～10mA，溅射时间为10～80min。
上述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，所述步骤(2)中的氢气压强为200～600Pa，氢气流量为20～80sccm。
上述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，所述步骤(4)的干燥条件为：真空度-0.08～-0.1MPa，温度为50～60℃，干燥时间为1～3h。
上述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，所述步骤(5)中铂颗粒直径为4～6nm。
与现有技术相比，本发明具有以下突出性技术特点和有益效果：
本发明氢燃料电池电极材料的制备方法过程简单合理，铂颗粒在碳纳米管上分散均匀且稳定，有效减少了催化剂铂的流失，提高了其使用的活性和稳定性，同时延长了其使用寿命。
附图说明
图1为实施例1制备的碳纳米管/碳纤维纸的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式和附图对本发明作详细说明。
【实施例1】
一种氢燃料电池电极材料的制备方法，所述方法具体包括以下步骤：
(1)用真空溅射的方法在碳纤维纸表面溅射沉积一层Co/Ni催化剂薄膜，在溅射过程通氩气进行保护，其中溅射条件为溅射气压0.5Pa，溅射电流5mA，溅射时间60min；
(2)将步骤(1)处理后得到的碳纤维纸在氢气的保护下，在205℃焙烧还原6h，其中所述的氢气压强为200Pa，氢气流量为20sccm；
(3)将步骤(2)得到的产物在甲烷气氛下，800℃处理5h，采用等离子增强化学气相沉积法在碳纤维纸表面原位生长碳纳米管，降温至50℃后取出；气体压强200Pa，甲烷的流量为30sccm，射频功率为10W，负偏压为20V，得到碳纳米管的直径为50～100nm；
(4)将步骤(3)得到的产物以CO为原料气，在一定温度和压力下，使碳纳米管中的Co/Ni金属与CO发生羰化反应生成相应的羰基化合物，再在负压下将羰基化合物脱除，之后将产物置于真空干燥箱内干燥一段时间后冷却至室温取出，其中所述干燥条件为真空度-0.08MPa，温度为60℃，干燥时间为2h；
(5)将步骤(4)所述产物用真空溅射的方法在碳纳米管上沉积直径为4～6nm的铂颗粒，并在溅射的过程中通氩气进行保护。
【实施例2】
(1)用真空溅射的方法在碳纤维纸表面溅射沉积一层Co/Ni催化剂薄膜，在溅射过程通氩气进行保护；其中所述溅射的条件为气压0.6Pa，溅射电流8mA，溅射时间50min；
(2)将步骤(1)处理后得到的碳纤维纸在氢气的保护下，在210℃焙烧还原5h，其中氢气压强为450Pa，氢气流量为50sccm；
(3)将步骤(2)得到的产物在甲烷气氛下，800～1000℃处理1～6h，采用等离子增强化学气相沉积法在碳纤维纸表面原位生长碳纳米管，降温至60℃后取出；气体压强600Pa，甲烷的流量为50sccm，射频功率为50W，负偏压为40V，其中制得碳纳米管的直径为50～100nm；
(4)将步骤(3)得到的产物以CO为原料气，在一定温度和压力下，使碳纳米管中的Co/Ni金属与CO发生羰化反应生成相应的羰基化合物，再在负压下将羰基化合物脱除，之后将产物置于真空干燥箱内干燥一段时间后冷却至室温取出，所述的干燥条件为真空度-0.09MPa，温度为55℃，干燥时间为3h；
(5)将步骤(4)所述产物用真空溅射的方法在碳纳米管上沉积直径为4～6nm的铂颗粒，并在溅射的过程中通氩气进行保护。
【实施例3】
(1)用真空溅射的方法在碳纤维纸表面溅射沉积一层Co/Ni催化剂薄膜，在溅射过程通氩气进行保护，其中溅射的条件为气压0.7Pa，溅射电流10mA，溅射时间15min；
(2)将步骤(1)处理后得到的碳纤维纸在氢气的保护下，在215℃焙烧还原4h，其中的氢气压强为600Pa，氢气流量为70sccm；
(3)将步骤(2)得到的产物在甲烷气氛下，1000℃处理1h，采用等离子增强化学气相沉积法在碳纤维纸表面原位生长碳纳米管，降温至80℃后取出；气体压强800Pa，甲烷的流量为80sccm，射频功率为200W，负偏压为100V，制得的碳纳米管的直径为50～100nm；
(4)将步骤(3)得到的产物以CO为原料气，在一定温度和压力下，使碳纳米管中的Co/Ni金属与CO发生羰化反应生成相应的羰基化合物，再在负压下将羰基化合物脱除，之后将产物置于真空干燥箱内干燥一段时间后冷却至室温取出，所述干燥条件为真空度-0.1MPa，温度为50℃，干燥时间为1h；
(5)将步骤(4)所述产物用真空溅射的方法在碳纳米管上沉积直径为4～6nm的铂颗粒，并在溅射的过程中通氩气进行保护。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种氢燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
(1)用真空溅射的方法在碳纤维纸表面溅射沉积一层Co/Ni催化剂薄膜，在溅射过程通氩气进行保护；
(2)将步骤(1)处理后得到的碳纤维纸在氢气的保护下，在205～215℃焙烧4～6h进行还原；
(3)将步骤(2)得到的产物在甲烷气氛下，800～1000℃处理1～6h，采用等离子增强化学气相沉积法在碳纤维纸表面原位生长碳纳米管，降温至50～80℃后取出；气体压强200～800Pa，甲烷的流量为30～100sccm，射频功率为0～200W，负偏压为0～100V；
(4)将步骤(3)得到的产物以CO为原料气，在一定温度和压力下，使碳纳米管中的Co/Ni金属与CO发生羰化反应生成相应的羰基化合物，再在负压下将羰基化合物脱除，之后将产物置于真空干燥箱内干燥一段时间后冷却至室温取出；
(5)将步骤(4)所述产物用真空溅射的方法在碳纳米管上沉积铂颗粒，并在溅射的过程中通氩气进行保护。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)碳纳米管的直径为50～100nm。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)溅射气压0.5～0.7Pa，溅射电流为5～10mA，溅射时间为10～80min。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的氢气压强为200～600Pa，氢气流量为20～80sccm。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的干燥条件为：真空度-0.08～-0.1MPa，温度为50～60℃，干燥时间为1～3h。
6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)溅射气压0.5～0.7Pa，溅射电流为5～10mA，溅射时间为30～60s。
7.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中铂颗粒的直径为4～6nm。
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