CN111326742A - 一种复合电极及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种复合电极，包括涂敷于基底表面的电极，电极包括微孔层和电容‑催化剂复合层；电容‑催化剂复合层由导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物、催化剂材料、离聚物构成；导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的混合物呈纤维状结构，交联呈网状均匀分布于电容‑催化剂复合层中。与现有技术相比，本发明所述复合电极的制备方法具有简便，易于实施和规模化放大等特点，在燃料电池、生物医疗以及传感等方面存在较大应用前景。

Description

一种复合电极及其制备和应用
技术领域
本发明属于电池领域，具体的说涉及一种复合电极及其制备方法和应用。
背景技术
因具有能量转换效率高、环境友好、启动便捷，燃料电池近些年受到国内外研究机构的广泛关注。然而燃料电池的商业化应用面临性能、寿命和成本等挑战，这些挑战与其具有较低的功率密度有关。
与燃料电池不同，超级电容器放电电荷为电极双电层上移出或注入的电荷，或电吸附过程和电极表面氧化物薄膜(导电聚合物薄膜)氧化还原反应过程产生的电荷，其动力学过程较快，功率密度可达数千瓦每千克。但超级电容器在能量密度方面存在严重不足。
近些年，人们期望制备兼具高功率密度和能量密度的电池，而如何实现这类电池成为目前人们的研究热点。很多科研人员利用超级电容器高功率密度和燃料电池高能量密度的优势，将燃料电池与超级电容器进行外部组合。这种方法增加了系统的复杂性和成本，不利于商业化应用。
在燃料电池电极中引入高电容材料从而制备的复合电极，可在同一系统中实现燃料电池氧化还原反应和超级电容器的充、放电反应相结合，建设系统复杂性。
发明内容
本发明的目的在于制备一种复合电极，其具有较高电容性能以及电化学活性，可用于燃料电池、生物医疗、环境科学等方面。
为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：
一种复合电极的制备方法，包括过程：将碳粉和PTFE在溶剂中分散均匀，涂于基底表面，经干燥后获得复合电极微孔层；将导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物、催化剂材料、离聚物在溶剂中经超声分散后形成导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物、催化剂均匀分散的浆液，涂于基底表面，经干燥后获得复合电极电容-催化剂层；导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物与催化剂材料质量比例为0.05-1.2；离聚物于复合电极中的质量分数为5-50％。
所述导电高分子聚合物和离子导体的混合物制备过程如下：将导电高分子单体、离聚物、溶剂混合均匀，通过化学或电化学聚合方法，获得导电高分子聚合物和离子导体的复合物；所述导电高分子单体为苯胺、吡咯、噻吩中的一种或者两种以上；所述离聚物为Nafion或者磷酸有机物中的一种或者两种以上；复合物中导电高分子聚合物和离子导体的质量比0.1-1.0。
所述导电高分子为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩的一种或者两种以上；所述离聚物为Nafion或者磷酸有机物中的一种或者两种以上；催化剂材料为负载型催化剂，活性成份为铂、金、银、镍、钴、钌、铁、铜、锌中的一种、或两种以上、或两种以上的合金；所述催化剂载体为XC-72、BP2000、乙炔黑、石墨烯及其衍生物、多孔碳材料、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或者两种以上，催化剂中活性成份质量负载量为10-80％；
所述溶剂为水、乙醇、异丙醇、乙二醇、的一种或者两种以上的混合物；
所述基底为碳纸、碳布、气体扩散层、电解质膜、PTFE膜中的一种。
所述复合电极电容-催化剂层呈疏松多孔结构；导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物均匀分布于电极内；导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物直径约为100-1000nm，长度为1μm以上；复合电极电容-催化剂层的孔平均直径为10-100nm，孔隙率为20-85％；催化剂粒径为2-20nm；所述电容-催化剂层厚度为1μm以上。
与现有技术相比，本发明所述复合电极的制备方法具有简便，易于实施和规模化放大等特点，在燃料电池、生物医疗以及传感等方面存在较大应用前景。
附图说明：
图1(a)导电高分子的扫描电镜照片；(b)本发明所述方法制备的复合电极的扫描电镜照片；(c)本发明所述方法制备的复合电极断面的能谱分析照片
图2(a)对比例1所述方法制备的电容层的扫描电镜照片；(b)对比例1所述方法制备的复合电极的扫描电镜照片；(c)本发明所述方法制备的复合电极断面的能谱分析照片；
图3为本发明所述方法制备的复合电极的电池性能图；
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。
具体实施方式
对比例1：
1)电容层制备
将碳布置于含有1.0M高氯酸、0.5M苯胺溶液中，在温度为0-30℃条件下采用循环伏安法进行100-400圈测试，扫描范围相对标准氢电极为0-1.0V，经洗涤和干燥后，获得电容层，担载于基底表面；
2)催化层制备
将40mg 60wt％Pt/C、200mg Nafion溶液在乙醇和水(体积比1:3)溶液中
经
超声分散30min后形成均匀分散的浆液，涂于上述基底表面，经干燥后获得含有电容层和催化层的复合电极；这种复合电极具有明显的电容层和催化层，催化层涂覆于电容层表面。
实施例1：
将4mg XC-72和6mg PTFE在乙醇中分散均匀，涂于2.2×2.2cm-2碳布表面，经干燥后获得复合电极微孔层；将8mg聚苯胺、40mg 60wt％Pt/C、200mg Nafion溶液在乙醇和水(体积比1:3)溶液中经超声分散30min后形成均匀分散的浆液，涂于上述微孔层表面，经干燥后获得复合电极；聚苯胺与60wt％Pt/C材料的质量比为0.2。
实施例2：
将4mg XC-72和6mg PTFE在乙醇中分散均匀，涂于2.2×2.2cm-2碳布表面，经干燥后获得复合电极微孔层；将16mg聚苯胺、40mg 60wt％Pt/C、233mg Nafion溶液在乙醇和水(体积比1:3)溶液中经超声分散30min后形成均匀分散的浆液，涂于上述微孔层表面，经干燥后获得复合电极；聚苯胺与60wt％Pt/C材料的质量比为0.4。
实施例3：
将4mg XC-72和6mg PTFE在乙醇中分散均匀，涂于2.2×2.2cm-2碳布表面，经干燥后获得复合电极微孔层；将48mg 75wt％PtRu/C(PtRu摩尔比1：1)、169mg Nafion溶液在乙醇和水(体积比1:3)溶液中经超声分散30min后形成均匀分散的浆液，涂于上述微孔层表面，经干燥后获得含有电容层和催化层的复合电极。
实施例4：
将含有1.0M高氯酸、0.01M苯胺、50mg Nafion溶液在水中分散均匀，然后添加0.007M过硫酸氨、并置于0-5℃温度反应24h，即获得聚苯胺-Nafion复合物条件下反应24h；
将4mg XC-72和6mg PTFE在乙醇中分散均匀，涂于2.2×2.2cm-2碳布表面，经干燥后获得复合电极微孔层；将16mg聚苯胺-Nafion复合物、40mg 60wt％Pt/C、233mg Nafion溶液在乙醇和水(体积比1:3)溶液中经超声分散30min后形成均匀分散的浆液，涂于上述微孔层表面，经干燥后获得复合电极；聚苯胺与60％Pt/C材料的质量比为0.4。

Claims (8)

1.一种复合电极，其特征在于：
包括涂敷于基底表面的电极，电极包括微孔层和电容-催化剂复合层；电容-催化剂复合层由导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物、催化剂材料、离聚物构成；导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物呈纤维状结构，交联呈网状均匀分布于电容-催化剂复合层中；导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物与催化剂材料质量比例为0.05-1.2；离聚物于复合层中的质量分数为5-50％。
2.按照权利要求1所述复合电极，其特征在于：所述基底为碳纸、碳布、气体扩散层、电解质膜、PTFE膜中的一种。
3.按照权利要求1所述复合电极，其特征在于：复合物中导电高分子聚合物和离子导体的质量比0.1-1.0。
4.按照权利要求1或3所述复合电极，其特征在于：
所述微孔层由碳粉和PTFE形成，呈多孔结构；
所述导电高分子聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或者两种以上；所述离聚物为Nafion或者磷酸有机物中的一种或者两种以上；
催化剂材料为负载型催化剂，活性成份为铂、金、银、镍、钴、钌、铁、铜、锌中的一种、或两种以上、或两种以上的合金；所述催化剂载体为XC-72、BP2000、乙炔黑、石墨烯及其衍生物、多孔碳材料、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或者两种以上，催化剂中活性成份质量负载量为10-80％；
导电高分子聚合物和离子导体的复合物制备过程如下：将导电高分子单体、离聚物、溶剂混合均匀，通过化学或电化学聚合方法，获得导电高分子聚合物和离子导体的复合物；所述导电高分子单体为苯胺、吡咯、噻吩中的一种或者两种以上；所述离聚物为Nafion或者磷酸有机物中的一种或者两种以上。
5.按照权利要求1-4任一所述复合电极，其特征在于：
所述复合电极电容-催化剂层呈疏松多孔结构；导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物均匀分布于电极内；导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物直径约为100-1000nm，长度为1μm以上；复合电极电容-催化剂层的孔平均直径为10-100nm，孔隙率为20-85％；催化剂粒径为2-20nm；所述电容-催化剂层厚度为1μm以上。
6.一种权利要求1-5任一所述复合电极的制备方法，其特征在于：
将碳粉和PTFE在溶剂中分散均匀，涂于基底表面，经干燥后获得复合电极微孔层；
将导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物、催化剂材料、离聚物在溶剂中经超声分散形成均匀分散的浆液，涂于上述微孔层表面，经干燥后获得复合电极电容-催化剂层；导电高分子或导电高分子聚合物和离子导体的复合物与催化剂材料质量比例为0.05-1.2；离聚物于复合层中的质量分数为5-50％。
7.按照权利要求6所述复合电极的制备方法，其特征在于：
所述溶剂为水、乙醇、异丙醇、乙二醇、的一种或者两种以上的混合物；
所述基底为碳纸、碳布、气体扩散层、电解质膜、PTFE膜中的一种。
8.一种权利要求1-5任一所述复合电极在聚合物电解质膜燃料电池中的应用。
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