CN111276703A - 一种高电化学活性比表面燃料电池电极及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用电极，在气体扩散层上进行催化层的担载，方法为磁控溅射或电化学沉积；所述催化剂纳米粒子层为Pt或者Pt与Ni、Pd、Co、Ru、Fe、Mo中一种或两种以上的合金；所述催化剂纳米粒子层的厚度为6‑20nm，所述催化剂纳米粒子粒径为6‑10nm，所述催化剂载量为0.05‑0.1mg cm‑2；本发明用电化学刻蚀对已制备的催化层进行处理。

Description

一种高电化学活性比表面燃料电池电极及其制备和应用
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用电极。
本发明包括所述电极的制备方法和应用。
背景技术
因具有能量转换效率高、低噪声、低污染等优点，质子交换膜燃料电池在交通运输、中小规模电站、家用电源和移动电源等民用和军用方面均具有广泛的应用前景，受到国内外研究机构的广泛关注。作为质子交换膜的核心部件，膜电极通常由扩散层、催化层和质子交换膜组成。其中，催化层是电化学反应发生的场所，而常用的贵金属催化剂(如铂)储量有限、价格昂贵，是制约燃料电池成本的重要一部分。磁控溅射或电化学沉积是方便、快速、可控的催化层的制备方法，然而，通过上述方法得到的催化层中催化剂颗粒和传统方法制备的催化剂(如商品铂碳催化剂)相比通常颗粒尺寸较大，导致电极的电化学活性面积较小，催化剂利用效率较低，电极性能较差。
因此，基于以上问题，本发明采用电化学刻蚀的方法对磁控溅射或电化学沉积方法制备的催化层进行处理，制备具有较高电化学活性面积的催化层，能够有效提高催化剂利用效率与燃料电池性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种较高电化学活性面积的电极催化层，该催化层具有贵金属催化剂载量低、催化剂利用效率高、制备方便、可控等特点，可以应用于燃料电池中。
为实现上述目的，本发明具体方案如下：
在气体扩散层上进行催化层的担载，方法为磁控溅射或电化学沉积；
所述催化剂纳米粒子层为Pt或者Pt与Ni、Pd、Co、Ru、Fe、Mo中一种或两种的合金；
所述催化剂纳米粒子层的厚度为6-20nm，所述催化剂纳米粒子粒径为6-10nm，所述催化剂载量为0.05-0.1mg cm-2；
所述气体扩散层为带有微孔层的碳纸；所述微孔层为XC-72碳粉混合PTFE或者
Figure BDA0001891635910000021
之后通过喷涂、刮涂或刷涂等方法涂于支撑层碳纸表面制得。
所述磁控溅射方法为采用磁控溅射设备，以氩气、氮气、氧气中的一种或两种以上为载气，催化剂材料为靶材进行磁控溅射。
所述电化学沉积方法使用硫酸和氯铂酸的混合溶液做电解液，采用三电极体系进行电化学沉积；所述三电极体系工作电极为气体扩散层，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极；所述沉积方式为恒电位法，电位为-0.2～-0.3V(相对于饱和甘汞电极)，沉积时间为300-900s；所述电解液浓度为：硫酸0.1-1mol L-1，氯铂酸0.001-0.01mol L-1。
用电化学刻蚀对已制备的催化层进行处理：
所述电化学刻蚀方法采用高浓度盐做电解液，采用三电极体系进行刻蚀；所述三电极体系工作电极为沉积了催化层的气体扩散层，对电极为铂丝，参比电极为饱和甘汞电极；所述刻蚀方式为恒电位法，电位为-8～-10V(相对于饱和甘汞电极)，刻蚀时间为300-900s；所述电解液为碱金属或碱土金属的硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐中的一种，浓度为8-10mol L-1；此步骤中反应条件对得到的样品表面状态影响很大，反应电位过低，无法对催化剂表面进行刻蚀，电位过高，析氢副反应增强；刻蚀时间过短效果较差，过长则催化剂损失较多；电解液浓度过低无法达到刻蚀的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.提高催化剂利用效率，减少催化剂载量，降低催化剂成本；
2.制备方法简单，能够放大制备，适用于批量生产。
附图说明：
图1为：实施例1经过刻蚀处理前后催化层的循环伏安曲线对比。
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)气体扩散层上催化层的制备：
将气体扩散层置于磁控溅射仪器基底位置，在Ar气气氛中、气体流速6ml min-1、功率30W、溅射时间5min、基底温为20℃，使用Pt靶材进行溅射，即得到具有纳米结构催化层；
(2)催化层的电化学刻蚀处理：
将(1)中得到的担载铂催化剂的气体扩散层作为工作电极在三电极体系中进行刻蚀，电解液为10mol L-1高氯酸钠，对电极为铂丝，参比电极为饱和甘汞电极，电位为-10V，刻蚀时间为600s。
得到的样品电化学活性面积显著提高。
实施例2：
与上述实施例1不同之处在于：催化层的担载方式为电沉积，用气体扩散层作为工作电极，在0.004mol L-1的氯铂酸和0.5mol L-1的混合溶液中用-0.2V的电位沉积300s。其中，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极。得到的样品与实施例1中没有明显区别。
实施例3：
与上述实施例1不同之处在于：电化学刻蚀的电位为-8V，得到样品的电化学活性面积提升没有实施例1中显著。
对比例1：
与上述实施例1不同之处在于：刻蚀时间为100s，得到的样品电化学比表面积提升不明显。
对比例2：
与上述实施例1不同之处在于：刻蚀电位为-4V，得到的样品电化学比表面积提升不明显。
对比例3：
与上述实施例1不同之处在于：电解液浓度为1mol L-1，得到的样品电化学比表面积没有显著变化。

Claims (7)

1.一种高电化学活性比表面燃料电池电极的制备方法，其特征在于：；
(1)在气体扩散层上进行催化层的担载，方法为磁控溅射或电化学沉积；
所述催化剂纳米粒子层为Pt或者Pt与Ni、Pd、Co、Ru、Fe、Mo中一种或两种以上的合金；
所述催化剂纳米粒子层的厚度为6-20nm，所述催化剂纳米粒子粒径为6-10nm，所述催化剂载量为0.05-0.1mg cm-2；
(2)用电化学刻蚀对已制备的催化层进行处理。
2.按照权利要求1所述电极的制备方法，其特征在于：
所述气体扩散层为带有微孔层的碳纸；所述微孔层为XC-72碳粉混合PTFE或者
Figure FDA0001891635900000011
之后通过喷涂、刮涂或刷涂等方法涂于支撑层碳纸表面制得。
3.按照权利要求1所述电极的制备方法，其特征在于：
所述磁控溅射方法为采用磁控溅射设备，以氩气、氮气、氧气中的一种或两种以上为载气，催化剂材料为靶材进行磁控溅射。
4.按照权利要求1所述电极的制备方法，其特征在于：
所述电化学沉积方法使用硫酸和氯铂酸的混合溶液做电解液，采用三电极体系进行电化学沉积；所述三电极体系工作电极为气体扩散层，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极；所述沉积方式为恒电位法，电位为-0.2～-0.3V(相对于饱和甘汞电极)，沉积时间为300-900s；所述电解液浓度为：硫酸0.1-1mol L-1，氯铂酸0.001-0.01mol L-1。
5.按照权利要求1所述电极的制备方法，其特征在于：所述电化学刻蚀方法采用高浓度盐做电解液，采用三电极体系进行刻蚀；所述三电极体系工作电极为沉积了催化层的气体扩散层，对电极为铂丝，参比电极为饱和甘汞电极；所述刻蚀方式为恒电位法，电位为-8～-10V(相对于饱和甘汞电极)，刻蚀时间为300-900s；所述电解液为碱金属或碱土金属的硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐中的一种，浓度为8-10mol L-1。
6.一种权利要求1-5任一所述制备方法制备获得的电极。
7.一种权利要求6所述电极在质子交换膜燃料电池中的应用。
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