CN110556543B - 一种用于直接甲酸燃料电池的独立木基阳极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明申请属于燃料电池技术领域，具体公开了一种用于直接甲酸燃料电池的独立木基阳极及其制备方法，包括炭化活化木材片，木材片具有均匀的多孔微通道，微孔通道内锚定有Pd纳米颗粒。本发明主要用于制备独立木基阳极，解决了传统工艺制备的燃料电池使用效果不好的问题。

Description

一种用于直接甲酸燃料电池的独立木基阳极及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体公开了一种用于直接甲酸燃料电池的独立木基阳极及其制备方法。
背景技术
众所周知，化石能源的短缺是全世界都面临的巨大能源危机，为此可再生能源的开发和利用成为了全世界研究的热点。在这些可再生资源的利用方式当中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)受到了广泛的关注。PEMFC作为新型的可再生能源利用方式，以氢气、甲醇、甲酸等可再生资源为燃料，氧为氧化剂，具有清洁无污染，能量转率高的优点。
基于以上的种种优势，甲酸燃料电池引起了诸多关注。目前的研究热点大多集中在甲酸的催化上。然而对于燃料电池的实际使用，催化剂的制备仅仅是其中的一小部分，电池的商业化运行是许多的过程共同作用的结果，这就对膜电极有着很高的要求。在膜电极的制备中，催化剂层的制备是其中关键的一步，往往需要一下特质：好的传质能力和导电性，一定的机械强度，低成本。在传统的催化层的制备工艺中，常常用到多种碳材料如炭黑、石墨烯、碳纳米管、纳米纤维等，然而在制作工艺复杂，且会用到各种粘结剂，这不但阻碍了物质和电子传输，使得燃料电池的使用效果不好，而且增加了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种木材自支撑电极用于直接甲酸燃料电池，以解决传统工艺制备的燃料电池使用效果不好的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种用于直接甲酸燃料电池的独立木基阳极，包括炭化活化木材片，木材片具有均匀的多孔微通道，微孔通道内锚定有Pd纳米颗粒。
进一步，Pd纳米颗粒的直径为1-5nm，木材片的厚度为700μm。
独立木基阳极的制备方法，将一根原木垂直于木材生长方向切割成木片，木片置于氮气环境中，升温至1000℃碳化6小时，碳化后的木片用2000的砂纸将其打磨光滑至厚度为700μm，残余的碳通过超声洗涤的方法去除，将碳化后的木片在二氧化碳流中升温至750℃活化6-12h，得到不同重量的活化木片，将活化后的木片浸泡在浓度为8mg/mL的PdCl2溶液中12h，再浸泡在浓度为0.05mol/L的硼氢化钠溶液中将Pd离子还原，随后在100℃下干燥，得到独立木基阳极。
进一步，碳化后的木片在二氧化碳流活化时间为6h。
进一步，将PdCl2400mg与浓度为20mM HCl溶液50ml混合，在60℃下热处理1h，直至PdCl2粉末完全溶解，得到1.5mg·L-1的PdCl2水溶液，将木片浸泡在PdCl2溶液中，加热至80℃保持12h，得到Pd NPs/木膜，Pd NP含量为0.19wt％；在60℃干燥后得到Pd NPs/木材；木片置于氮气环境中，升温至1000℃碳化6小时；碳化后的木片用2000的砂纸将其打磨光滑至厚度为700μm，残余的碳去除。
进一步，残余的碳通过超声洗涤的方法去除。
本技术方案的工作原理及有益效果在于：
(1)发明人在研究中发现，在各类燃料电池中，氢氧燃料电池以高压氢气为燃料，在使用、储存和运输等过程中都存在这许多的安全问题；随后发展的甲醇燃料电池用液体甲醇作为燃料，安全性变好、结构简单、运行方便，然而还存在许多问题，如：催化效率不佳、甲醇易透过Nafion膜而降低电池性能，在低温下难以工作等；于此，同样作为C1小分子的甲酸引起了人们的兴趣。作为甲醇的替代燃料，甲酸无毒、方便储存和运输，对Nafion膜的渗透率远小于甲醇，且甲酸的开路电压为1.45V高于甲醇，并可以在高浓度的条件下拥有较好的性能，充分提高了该燃料的能量密度；
(2)本发明中电极内部自身具有通透的孔道，发明人在研究过冲发现，这样的结构有利于物质扩散、传输以及电子传输，并且在孔道周围丰富的排布有次级微孔和与之垂直的微通道，有足够的位置可供金属催化剂附着，丰富的孔道和多层次的孔结构有利于甲酸和催化剂活性位点的接触并发生反应，本发明中的电极成本低，简单易得，还具有一定的机械强度，这样的结构能够提高催化剂对甲酸催化的性能并提高相应的稳定性。
附图说明
图1是本发明木材自支撑电极用于直接甲酸燃料电池实施例的结构示意图；
图2是本发明自支撑电极与传统的Pd/C电极的阻抗曲线示意图；
图3是本发明中自支撑电极与传统的Pd/C电极的循环伏安曲线示意图；
图4是本发明中自支撑电极与传统的Pd/C电极的稳定性测试示意图；
图5是本发明中自支撑电极在不同燃料流速下的电池数据示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
结合图1所示，一种用于直接甲酸燃料电池的独立木基阳极，该阳极由均匀地将Pd纳米颗粒(小于5nm)锚定在炭化活化木材(CA-wood)的多孔微通道上制备而成。
制备方法一：将一根原木垂直于木材生长方向切割成木片。木片置于氮气环境中，升温至1000℃碳化6小时。碳化后的木片用2000的砂纸将其打磨光滑至厚度为700μm，残余的碳通过超声洗涤的方法去除。将碳化后的木片在二氧化碳(CO2)流中升温至750℃活化一定时间，得到不同重量的活化木片。将活化后的木片浸泡在浓度为8mg/mL的PdCl2溶液中12h，再浸泡在0.05mol/L的硼氢化钠(NaBH4)溶液中将Pd离子还原。随后在100℃下干燥，最终得到CA-wood/Pd阳极。
制备方法二：将PdCl2(400mg)与HCl溶液(20mM,50ml)混合，在60℃下热处理1h，直至PdCl2粉末完全溶解，得到1.5mg·L-1的PdCl2水溶液。将木片浸泡在PdCl2溶液中，加热至80℃保持12h，得到Pd NPs/木膜，Pd NP含量为0.19wt％。在60℃干燥后得到Pd NPs/木材。木片置于氮气环境中，升温至1000℃碳化6小时。碳化后的木片用2000的砂纸将其打磨光滑至厚度为700μm，残余的碳通过超声洗涤的方法去除。
本实施例中，利用扫描电镜对电极进行了数据表征及分析，图1中：自支撑电极扫描电镜(a)；垂直木材生长方向截面图(b)；平行生长方向截面图(c)；(d)木材内部负载上Pd颗粒；可以看出木材特有的平行通道，且通道上存在小孔，对物质传输十分有利，木材的这种天然特性使得其成为优秀的自支撑电极材料。
图2是本发明自支撑电极与传统的Pd/C电极的阻抗曲线示意图；从图3中可以看出用木材制备的自支撑电极的扩散电阻和接触电阻明显小于用商业的Pd/C所制备的电极，表明木材电极有利于反应物与催化剂的接触和反应物在电极内部的扩散，说明其自身结构的优异性。
图4是本发明中自支撑电极与传统的Pd/C电极的稳定性测试示意图；
图5是本发明中自支撑电极在不同燃料流速下的电池数据示意图。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (2)

1.一种用于直接甲酸燃料电池的独立木基阳极，其特征在于，包括碳化活化木材片，碳化活化木材片具有均匀的多孔微通道，多孔微通道内锚定有Pd纳米颗粒，Pd纳米颗粒的直径为1-5nm，碳化活化木材片的厚度为700μm，所述独立木基阳极的制备方法，其特征在于：将一根原木垂直于木材生长方向切割成木材片，木材片置于氮气环境中，升温至1000℃碳化6小时，碳化后的木材片用2000的砂纸将其打磨光滑至厚度为700μm，残余的碳通过超声洗涤的方法去除，将碳化后的木材片在二氧化碳流中升温至750℃活化6-12h，得到不同重量的木材片，将活化后的木材片浸泡在浓度为8mg/mL的PdCl2溶液中12h，再浸泡在浓度为0.05mol/L的硼氢化钠溶液中将Pd离子还原，随后在100℃下干燥，得到独立木基阳极。
2.根据权利要求1所述的独立木基阳极，其特征在于，碳化后的木材片在二氧化碳流中活化时间为6h。
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