CN111276709A - 一种质子交换膜燃料电池有序化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，具体涉及一种质子交换膜燃料电池有序化电极及其制备和应用，本发明包括基底，与基底表面附着有有序化电极催化层；所述有序化电极催化层为自支撑的空心催化剂纳米棒，纳米棒从基底表面向远离基底表面的方向生长、并排布构成有序化阵列；纳米棒的壁面是一催化剂纳米粒子层，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；基底上催化层催化剂载量为0.05‑0.1mg cm‑2；本发明减少气体、电子传质阻力，减少极化损失，提高电极性能。

Description

一种质子交换膜燃料电池有序化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。
本发明包括所述膜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。目前常用的催化层制备方法通常为将催化剂分散在溶剂(如乙醇)中，加入适量
Figure BDA0001891979000000011
作为粘结剂，形成浆液，然后用喷涂、刮涂或刷涂等方法制备在气体扩散层或质子交换膜上。传统制备方法中，催化层中孔道呈无序分布，存在较大的电化学极化和浓差极化，导致催化剂利用率较低，催化剂用量较大。
因此，基于以上问题，本发明制备具有有序化传质通道的燃料电池电极催化层，催化层中催化剂为空心管状阵列结构，能够有效降低膜电极中气体传输阻力，进而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有序化的电极催化层，该催化层具有贵金属催化剂载量低、催化剂利用效率高、气体传质阻力小等特点，可以应用于质子交换膜燃料电池中。
为实现上述目的，本发明具体方案如下：
所述有序化电极催化层为自支撑的空心催化剂纳米棒，纳米棒从基底表面向远离基底表面的方向排布构成有序化阵列；
纳米棒的壁面是一催化剂纳米粒子层，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；基底上催化层催化剂载量为0.05-0.1mg cm-2。
所述催化剂为Pt或者Pt与Ni、Pd、Co、Ru、Fe、Mo中一种或两种的合金。
所述有序模板阵列为近似平行排列的棒状结构，密度为每平方微米10-50个棒状结构，棒状结构的直径为80-200nm，长度为1000-2000nm。
所述有序化阵列通过模板法制备，先于气体扩散层基底表面原位生长模板材料的纳米线阵列，随后进行催化剂的担载与模板的去除；
所述催化剂担载方法为磁控溅射法；所述有序化模板阵列的成分为氧化锌。
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 BDA0001891979000000021
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。
所述有序化模板阵列制备方法包括以下步骤：
(1)晶种胶体溶液的制备；
配制氢氧化钠与醋酸锌的混合乙醇溶液，加热搅拌形成氧化锌的胶体溶液；乙醇溶液中所述氢氧化钠浓度为0.02-0.04mol L-1，所述醋酸锌的浓度为0.01-0.02mol L-1；所述反应温度为50-60℃，所述反应时间为0.5-3h；此步骤对于氧化锌胶体溶液的状态影响较大，反应时间过短无法形成胶体溶液，反应时间过长则会形成沉淀；
(2)基底上晶种的附着；将基底在晶种溶液中浸泡，取出后烘干，重复数次；所述浸泡时间为1-10min，所述烘干温度为80-150℃，烘干时间为10-30min，所述重复次数为3-5次；此步骤对后续步骤中氧化锌纳米线生长这至关重要，晶种分布的均匀性直接决定了氧化锌纳米线生长的均匀性和取向；
(3)纳米棒阵列的原位生长；配制六亚甲基次胺与硝酸锌的混合水溶液，将附着晶种的基底置于其中，加热反应获得；所述两种反应物浓度相等，可为0.005-0.05mol L-1；所述反应温度为80-95℃，所述反应时间为2-6h；此步骤中反应条件对氧化锌纳米线阵列的形貌控制有较大影响，反应物浓度过低，纳米线的去向较为杂乱，浓度过高纳米线之间会相互接触连成一片，反应温度过低纳米线尺寸过小，反应时间对纳米线的长度有较大影响。
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。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.减少气体、电子传质阻力，减少极化损失，提高电极性能；
2.提高催化剂利用效率，减少催化剂载量，降低催化剂成本；
3.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1一种采用本发明所述方法制备的有序模板阵列的扫描电镜照片。
图2为；实施例1一种采用本发明所述方法制备的有序化催化层的扫描电镜照片。
图3为：实施例1一种采用本发明所述方法制备的有序化催化层中棒状结构的透射电镜照片。
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)ZnO胶体溶液的制备：
配制0.01mol L-1氢氧化钠和0.03mol L-1醋酸锌的混合乙醇溶液，在55℃下加热搅拌2h后停止，静置一段时间后取上层悬浮液，即得到ZnO的胶体溶液；
(2)基底上晶种的附着：
将气体扩散层在上一步制得的晶种溶液中浸泡5min，取出后120℃烘干20min，重复3次，即得到附着ZnO晶种的气体扩散层基底；
(3)纳米棒阵列的原位生长：
配制0.01mol L-1的六亚甲基次胺与硝酸锌的混合水溶液，将附着晶种的气体扩散层基底，在90℃下反应时间为4h，即得到有序化的棒状模板阵列；
(4)催化层的担载：
将上述有序阵列载体置于磁控溅射仪器基底位置，在Ar气气氛中、气体流速6mlmin-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。
得到的有序模板阵列为近似平行排列的棒状结构，密度为每平方微米20-40个棒状结构，棒状结构的直径为80-120nm，长度为1000-2000nm，Pt催化层厚度为8-10nm，颗粒大小为8-10nm，载量为0.07mg cm-2。
实施例2：
与上述实施例1不同之处在于：ZnO纳米棒阵列的原位生长反应物浓度为0.005molL-1，得到的样品中棒状结构的直径为60-80nm。
实施例3：
与上述实施例1不同之处在于：ZnO纳米棒阵列的原位生长反应物浓度为0.05molL-1，得到的样品中棒状结构的直径为180-220nm。
实施例4：
与上述实施例1不同之处在于：ZnO纳米棒阵列的原位生长反应时间为2h，得到的样品中棒状结构的长度为500-1000nm。
实施例5：
与上述实施例1不同之处在于：磁控溅射的时间为7min，得到的样品催化剂载量为0.09mg cm-2。
对比例1：
与上述实施例1不同之处在于：氧化锌胶体溶液制备中，反应时间为4h，达到的样品氧化锌的分布十分不均匀。
对比例2：
与上述实施例1不同之处在于：着种步骤中浸渍时间为20s，得到的样品表面氧化锌的量很少，且均匀度较差。
对比例3：
与上述实施例1不同之处在于：氧化锌纳米线生长步骤中反应物浓度为0.001molL-1，得到的样品纳米线强度较差，且取向较为杂乱。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池有序化电极，其特征在于：；
包括基底，与基底表面附着有有序化电极催化层；
所述有序化电极催化层为自支撑的空心催化剂纳米棒，纳米棒从基底表面向远离基底表面的方向生长、并排布构成有序化阵列；
纳米棒的壁面是一催化剂纳米粒子层，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；基底上催化层催化剂载量为0.05-0.1mg cm-2。
2.如权利要求1所述电极，其特征在于：
所述催化剂为Pt或者Pt与Ni、Pd、Co、Ru、Fe、Mo中一种或两种以上的合金。
3.如权利要求1所述电极，其特征在于：
所述有序模板阵列的棒状结构密度为每平方微米10-50个棒状结构，棒状结构的直径为80-200nm，长度为1000-2000nm。
4.一种权利要求1-3任一所述电极的制备方法，其特征在于：
所述有序化阵列通过模板法制备，先于气体扩散层基底表面原位生长模板材料的纳米线阵列，随后进行催化剂的担载与模板的去除；
所述催化剂担载方法为磁控溅射法；所述有序化模板阵列的成分为氧化锌。
5.按照权利要求4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 FDA0001891978990000011
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。
6.按照权利要求4或5所述电极的制备方法，其特征在于：
所述有序化模板阵列制备方法包括以下步骤：
(1)晶种胶体溶液的制备；
配制氢氧化钠与醋酸锌的混合乙醇溶液，加热搅拌形成氧化锌的胶体溶液；乙醇溶液中所述氢氧化钠浓度为0.02-0.04mol L-1，所述醋酸锌的浓度为0.01-0.02mol L-1；所述反应温度为50-60℃，所述反应时间为0.5-3h；
(2)基底上晶种的附着；将基底在晶种溶液中浸泡，取出后烘干，重复数次；所述浸泡时间为1-10min，所述烘干温度为80-150℃，烘干时间为10-30min，所述重复次数为3-5次；
(3)纳米棒阵列的原位生长；配制六亚甲基次胺与硝酸锌的混合水溶液，将附着晶种的基底置于其中，加热反应获得；所述两种反应物浓度相等，可为0.001-0.1mol L-1；所述反应温度为80-95℃，所述反应时间为2-6h。
7.按照权利要求4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。
8.一种权利要求1-3任一所述电极在质子交换膜燃料电池中的应用。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102738478A (zh) * 2012-06-15 2012-10-17 武汉理工大学 基于3维质子导体的单电极和燃料电池膜电极及制备方法
CN105609788A (zh) * 2015-12-30 2016-05-25 中国科学院上海高等研究院 基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法
CN107180973A (zh) * 2017-05-18 2017-09-19 成都艾欧新能源科技有限公司 燃料电池阴极催化材料的制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102738478A (zh) * 2012-06-15 2012-10-17 武汉理工大学 基于3维质子导体的单电极和燃料电池膜电极及制备方法
CN105609788A (zh) * 2015-12-30 2016-05-25 中国科学院上海高等研究院 基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法
CN107180973A (zh) * 2017-05-18 2017-09-19 成都艾欧新能源科技有限公司 燃料电池阴极催化材料的制备方法

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