CN114759197B - 一种燃料电池电极及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电极及其制备方法和应用，本发明中采用两步水热法合成了燃料电池电极。本发明制备的燃料电池电极能在碱性条件下将甲醇直接氧化为CO2和H2O，从而将甲醇的化学能转化为电能。并且该电极具有稳定的三维空间结构和间隙结构，并附着有Pd纳米颗粒和/或嵌入的Pd纳米团簇颗粒，从而为甲醇氧化反应提供了丰富的反应活性位点；此外，该电极能促使水分解产生丰富的活性羟基自由基，从而促进反应中间产物COads被氧化为CO2，可以避免电极中的Pd被COads毒化；因此，本发明制备的燃料电池电极在甲醇氧化反应过程中具有优异的甲醇氧化稳定性以及甲醇氧化效率。

Description

一种燃料电池电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及燃料电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种燃料电池电极及其制备方法和应用。
背景技术
面对日益严重的环境问题和日益减少的化石燃料储量，燃料电池是一种新兴的、清洁的、强大的化石燃料替代品。在不同类型的燃料电池中，直接甲醇燃料电池（DMFC）是轻型车辆和便携式设备的绝佳选择；但是，甲醇燃料电池中其阳极反应具有缓慢的动力学。因此，发展可持续能源的一个关键点是生产出能量存储和转换设备的高度熟练、经济和绿色的甲醇燃料电池阳极电极。在甲醇燃料电池中，发生在甲醇燃料电池阳极电极上的甲醇氧化反应(MOR)主要分为以下几步：
Pd + OH- → Pd-OHads + e- (1)
Pd-OHads+ OH-→PdO + H2O + e- (2)
Pd + CH3OH → Pd–CH3OHads (3)
Pd–CH3OHads + 4OH- → Pd–COads+ 4H2O + 4e- (4)
PdO + Pd–COads → Pd + CO2 + Pd- (5)
缓慢的阳极反应动力学是DMFC大规模应用的最大障碍之一，目前用于MOR阳极反应的甲醇燃料电池阳极电极均存在稳定性差以及反应活性低的问题；因此，开发优良的甲醇燃料电池阳极电极以提高DMFC的性能是非常必要的。
发明内容
为了解决现有用于甲醇燃料电池的电极稳定性差、反应活性低的问题，本发明的目的之一是提供一种燃料电池电极，以解决现有技术中存在的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种燃料电池电极，该燃料电池电极包括：NiFe-LDH纳米片阵列，由NiFe-LDH纳米片堆叠形成且NiFe-LDH纳米片之间形成间隙；Pd纳米颗粒，Pd纳米颗粒附着在NiFe-LDH纳米片上，和/或以Pd纳米团簇颗粒嵌入NiFe-LDH纳米片之间的间隙中，其中，Pd纳米团簇颗粒由Pd纳米颗粒团簇形成。
本发明的有益效果为：本发明中的燃料电池电极具有三维空间结构和丰富的间隙结构，利于Pd纳米颗粒的负载、分散和传质，提高了Pd纳米颗粒的负载量，同时还减少了NiFe-LDH纳米片之间的电子传输距离。因此，本发明中的燃料电池电极能有效增加甲醇氧化反应的电化学活性表面积，优化燃料电池电极的电子结构，提高燃料电池电极的稳定性以及甲醇氧化能力，从而提升燃料电池电极在MOR反应中的甲醇氧化能力。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，NiFe-LDH纳米片的厚度为3~5nm，NiFe-LDH纳米片的片径为200~500 nm。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：该厚度的NiFe-LDH纳米片利于增加基底单位面积上NiFe-LDH纳米片的数量，即增加了NiFe-LDH纳米片阵列中NiFe-LDH纳米片的数量，为Pd纳米颗粒的负载提供较大的表面积，提高燃料电池电极中Pd纳米颗粒负载量，增大了燃料电池电极用于甲醇氧化反应的电化学活性表面积；此外，该片径范围的NiFe-LDH纳米片可避免NiFe-LDH纳米片的片径大于500nm时，燃料电池电极中的NiFe-LDH纳米片在MOR反应过程中易从基底上脱落的问题。
进一步，Pd纳米团簇颗粒的粒径为10~20nm。
进一步，燃料电池电极中Pd元素的质量含量为：10%-70%。
进一步，燃料电池电极还包括基底，NiFe-LDH纳米片阵列位于基底上，基底包括泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝、碳纸和碳布中的任意一种。
本发明的目的之二是提供燃料电池电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、前驱体的制备
将预处理后的基底置于前驱液中并进行水热反应，反应结束后依次经清洗和干燥后获得前驱体；其中，前驱液包括硝酸镍、硝酸铁和尿素；
步骤2、燃料电池电极的制备
将步骤1中获得的前驱体置于PdCl2前驱液溶液中并进行水热反应，反应结束后依次经清洗和干燥后获得燃料电池电极；其中，PdCl2前驱液溶液包括氯化钯和沉淀剂。
本发明的有益效果为：两步水热法在制备过程中受纳米晶粒尺寸限制和形状限制的影响较小，制备出的燃料电池电极具有稳定的三维结构、并且具有丰富的间隙结构和较大面积的NiFe-LDH纳米片，利于Pd纳米颗粒的附着以及Pd纳米团簇颗粒的嵌入，不仅增加了Pd纳米颗粒的附着量以及Pd纳米团簇颗粒的嵌入量，同时还减少了NiFe-LDH纳米片之间的电子传输距离；因此，采用两步水热法来制备的燃料电池电极不仅能增加甲醇氧化反应的电化学活性表面积、优化燃料电池电极的电子结构，同时还能提升其在MOR反应中甲醇氧化能力。
进一步，步骤1和步骤2中水热反应的条件均为：反应温度为100~150°C、反应时间为6~15h。
进一步，步骤1中硝酸镍和硝酸铁的摩尔比为（2：8）~（8：2）；前驱液中每20~50mL的水加入0.5~0.6g尿素。
进一步，步骤1中的前驱液中还包括石墨烯和氟化铵；步骤2中的沉淀剂包括尿素和氟化铵。
本发明的目的之三是将目的之一中的燃料电池电极在作为甲醇燃料电池的阳极电极方面的应用。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明制备的燃料电池电极具有稳定的三维结构和丰富的间隙结构，并且不仅燃料电池电极中的NiFe-LDH纳米片上负载有Pd纳米颗粒，同时还在NiFe-LDH纳米片之间形成的间隙中还嵌入有Pd纳米团簇颗粒，改变了NiFe-LDH纳米片之间的电子传输距离，优化了燃料电池电极的电子结构，提高了燃料电池电极的稳定性以及甲醇氧化能力，从而提升了燃料电池电极在MOR反应中的甲醇氧化能力。此外，本发明中制备的燃料电池电极中的NiFe-LDH纳米片在使用过程中不容易从基底上脱落，在一定程度上提高燃料电池电极使用寿命、稳定性以及甲醇氧化能力。
此外，由于改变了NiFe-LDH纳米片之间的电子传输距离以及减少了电荷转移的阻抗力，相对于纯Pd燃料电池电极而言，本发明中的燃料电池电极在使用过中对Pd的消耗量较小，表现出更加优异的甲醇氧化稳定性。
2、本发明采用两步水热法制备燃料电池电极，该方法受纳米晶粒尺寸限制和形状限制小，因此可制备出具有较大表面积的NiFe-LDH纳米片以及具有较大粒径的Pd纳米团簇颗粒，为Pd纳米颗粒的附着提供了较大的面积；并且采用两步水热法制备的燃料电池电极呈三维状并同时具有丰富的间隙结构，有效增加甲醇氧化反应的电化学活性表面积，优化燃料电池电极的电子结构，从而提升其MOR反应甲醇氧化能力。
附图说明
图1为本发明制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的XRD表征图；
图2为前驱体和燃料电池电极的SEM表征图，其中，图2中的（a）图为NiFe-LDH/NF前驱体的SEM表征图，图2中的（b）图为Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的SEM表征图；
图3为本发明制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的EDS能谱表征图；
图4为本发明制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极和纯Pd燃料电池电极的循环伏安(CV)图；
图5为燃料电池电极的CV衰减曲线，其中，图5中（a）图为纯Pd燃料电池电极的CV衰减曲线图，图5中（b）图为本发明制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的CV衰减曲线图；
图6为本发明制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极和采用电沉积法制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的甲醇氧化活性对比图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请中的一种燃料电池电极及其制备方法和应用进行描述。然而，本申请可按照许多不同的形式示例并且不应被解释为限于在此阐述的具体实施例，更确切地说，提供这些实施例的目的是使得本申请将是彻底的和完整的，并且将要把本申请的范围充分地传达给本领域技术人员。
发明人对用于甲醇阳极氧化反应（MOR）的电池阳极电极材料调查后发现，Pd基材料具有优异的甲醇燃料电池阳极催化性能；目前已经提出了许多结构假设来提高Pd（钯）基材料的甲醇氧化能力，但其性能（主要是其稳定性以及甲醇氧化能力）在甲醇燃料电池（DMFC）应用仍然不能令人满意，因此，合成用于甲醇电氧化的高效且长期稳定的燃料电池电极对于DMFC技术至关重要。
目前，经研究证明通过调整燃料电池阳极Pd基材料的组成和结构是提高MOR性能的有效策略，Pd与其他金属的结合已被证明是提高MOR的有效方法性能。例如Yin等人报告了一种灵活的方法来合成 Au@Pd 核壳介孔纳米花 (Au@mPd NFs)，其中，Au@mPd NFs受益于电子和结构效应，因此，其在碱性电解质中对甲醇氧化反应表现出优异的甲醇氧化活性和稳定性。Guo等人最近研究了Pd-P@Pt-Ni核壳NPs在MOR中的性能，Pd-P@Pt-Ni 核壳纳米颗粒在MOR中表现出显著的甲醇氧化活性和优异的耐久性。Xiang等通过电沉积和磁控溅射成功合成了 Pd/ZnO/Ni 分级多孔阵列薄膜，经碱性溶液中的电化学测量表明，生长的阵列膜具有出色的甲醇氧化活性。
此外，尽管Pd与其他金属的结合能够提高MOR反应性能，但是Pd与其他金属的结合的燃料电池电极在使用过程中仍然无法摆脱在MOR反应过程中Pd很容易被甲醇氧化反应的中间产物COads毒化，导致其活性降低的问题。
基于此，本发明通过两步水热法合成了一种具有稳定的三维空间结构、间隙结构丰富且还可避免燃料电池电极中的Pd被COads毒化的燃料电池电极。
本发明中的第一方面的实施例提供一种燃料电池电极，该燃料电池电极包括：NiFe-LDH纳米片阵列，由NiFe-LDH纳米片堆叠形成且NiFe-LDH纳米片之间形成间隙；Pd纳米颗粒，所述Pd纳米颗粒附着在NiFe-LDH纳米片上，和/或以Pd纳米团簇颗粒嵌入NiFe-LDH纳米片之间的间隙中，其中，所述Pd纳米团簇颗粒由Pd纳米颗粒团簇形成。
此外，本实施例中的燃料电池电极还包括基底，其中，NiFe-LDH纳米片阵列位于基底上；本实施例中的基底包括泡沫镍（NF）、泡沫铜、泡沫铝、碳纸和碳布中的任意一种；当然，在实际过程中基底还可以是其它物质，本实施例中对此不再进行举例说明。
本实施例中的燃料电池电极的具体结构是：NiFe-LDH纳米片阵列是由大量的NiFe-LDH纳米在基底上堆叠形成，并且NiFe-LDH纳米在堆叠形成NiFe-LDH纳米片阵列时，NiFe-LDH纳米之间还形成一定的间隙，因此，本实施例中制备的燃料电池电极具有三维空间结构和丰富的间隙结构的特性；另外，本实施例中的NiFe-LDH纳米片为具有较大表面积的片状结构。因此，该结构利于Pd纳米颗粒的负载、分散和传质，提高了Pd纳米颗粒的负载量，减少了燃料电池电极中NiFe-LDH纳米片之间的电子传输距离，为本实施例中的燃料电池电极增加了甲醇氧化反应的电化学活性表面积，优化燃料电池电极的电子结构，从而提升燃料电池电极在MOR催化反应中性能（即稳定性以及甲醇氧化活性）。
此外，本实施例中制备的燃料电池电极中还包括Pd纳米颗粒和/或Pd纳米团簇颗粒，其中，Pd纳米颗粒主要是附着在NiFe-LDH纳米片上，Pd纳米团簇颗粒主要是嵌入NiFe-LDH纳米片之间形成的间隙中；本实施例中的 Pd纳米团簇颗粒由Pd纳米颗粒团簇形成。本实施例中的Pd纳米团簇颗粒既可以是由附着在NiFe-LDH纳米片上的Pd纳米颗粒发生团簇后获得，也可以是在制备过程中Pd纳米颗粒发生团簇后再嵌入到NiFe-LDH纳米片之间的间隙中。在本实施例中，附着在NiFe-LDH纳米片上的Pd纳米颗粒和嵌入NiFe-LDH纳米片之间的间隙中Pd纳米团簇颗粒均减少了NiFe-LDH纳米片之间的电子传输距离，促进了甲醇氧化速率的提高，并减小电荷转移阻抗，进而降低了MOR反应过程中对Pd的消耗，提高了燃料电池电极的稳定性。
另外，在一些实施例中，NiFe-LDH纳米片的厚度为3~5nm，NiFe-LDH纳米片的片径为200~500 nm。在本实施例中，该厚度范围的NiFe-LDH纳米片利于增加基底单位面积上NiFe-LDH纳米片的数量，即增加NiFe-LDH纳米片阵列中NiFe-LDH纳米片的数量，为Pd纳米颗粒负载提供较大的表面，提高了燃料电池电极中Pd纳米颗粒负载量，从而增大了燃料电池电极用于甲醇氧化反应的电化学活性表面积，提升MOR反应活性；同时还避免NiFe-LDH纳米片的厚度大于5nm时导致NiFe-LDH纳米片阵列中NiFe-LDH纳米片的数量降低，从而引起燃料电池电极用于甲醇氧化反应的电化学活性表面积减少。
此外，本实施例中该片径范围的NiFe-LDH纳米片进一步提高燃料电池电极作为用于甲醇氧化反应的电化学活性表面积。并且该片径范围的NiFe-LDH纳米片可避免NiFe-LDH纳米片的片径大于500nm时，在MOR反应过程中NiFe-LDH纳米片容易从基底上脱落导致燃料电池电极的活性降低的问题。
另外，在一些实施例中，Pd纳米团簇颗粒的粒径为10~20nm。该粒径范围的Pd纳米团簇颗粒可进一步缩短NiFe-LDH纳米片之间电子传输距离，降低电荷转移阻抗，促进甲醇燃料电池中的甲醇氧化速率的提高。
另外，在一些实施例中，燃料电池电极中Pd元素的质量含量为：10%-70%。
此外，本发明中的燃料电池电极中的NiFe-LDH纳米片在MOR反应过程中能够促进水的分解，从而产生具有强氧化性的羟基自由基，该羟基自由基能与甲醇氧化产生的中间产物COads发生反应，促进反应中间产物COads被氧化为CO2，从而能够有效的去除导致Pd中毒的COads。因此，本发明中本实例制备的燃料电池电极有效避免了Pd被COads毒化的问题。
本发明中第二方面的实施例提供一种第一方面实施例中的燃料电池电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、前驱体的制备
将预处理后的基底置于前驱液中并进行水热反应，反应结束后依次经清洗和干燥后获得前驱体；其中，所述前驱液包括硝酸镍、硝酸铁和尿素；
步骤2、燃料电池电极的制备
将步骤1中获得的前驱体置于PdCl2前驱液溶液中并进行水热反应，反应结束后依次经清洗和干燥后获得燃料电池电极；其中，所述PdCl2前驱液溶液包括氯化钯和沉淀剂。
本实施例中通过两步水热法制备出了燃料电池电极，该方法在制备过程中受纳米晶粒尺寸限制和形状限制的影响较小，因此可制备出厚度为3~5nm、片径为200~500 nm的NiFe-LDH纳米片，为Pd纳米颗粒附着提供较大的表面积；同时还利于Pd纳米团簇颗粒生产。
此外，采用两步水热法制备的燃料电池电极具有稳定的三维结构，并且具有丰富的间隙结构，利于Pd纳米颗粒的附着以及Pd纳米团簇颗粒的嵌入，不仅增加了Pd的含量，有效增加甲醇氧化反应的电化学活性表面积，同时还减少了NiFe-LDH纳米片之间的电子传输距离；因此，采用两步水热法来制备的燃料电池电极不仅增加甲醇氧化反应的电化学活性表面积、优化燃料电池电极的电子结构，同时还提升其MOR性能。
此外，在本实施例中，步骤1中通过水热法在基底上生长出由大量NiFe-LDH纳米片堆叠形成的NiFe-LDH纳米片阵列；其中，硝酸镍中的镍和硝酸铁中的铁作为构成NiFe-LDH纳米片的层板上的金属离子；尿素用于调节水热反应过程的前驱液的pH值，并同时提供插入NiFe-LDH纳米片层间的阴离子NO3 -和OH-。
此外，在本实施例中，步骤1中的基底预处理采用下述方式：
首先将基底剪成2 cm×2 cm的均匀小方块，然后将基底分别放入丙酮和6 mol/L的盐酸溶液中进行浸泡并超声20 min去除基底表面的杂质和氧化物；再分别使用无水乙醇和去离子水对超声处理后的基底进行数次清洗，以去除其表面残留的杂质；最后，将清洗干净的基底放入真空干燥箱中，并在真空60 °C下干燥12 h从而获得预处理后的基底。
在本实施例中，基底可以是泡沫镍（NF）、泡沫铜、泡沫铝、碳纸和碳布中的任意一种。
在本实施例的步骤2中，首先是利用水热反应促使形成Pd纳米颗粒，然后利用沉淀剂促使Pd纳米颗粒沉积在NiFe-LDH纳米片上或以Pd纳米团簇颗粒嵌入到NiFe-LDH纳米片之间的间隙中；在本实施例中，Pd纳米团簇颗粒既可是附着在NiFe-LDH纳米片Pd纳米颗粒发生团簇后获得，也可以是在制备过程中Pd纳米颗粒发生团簇后再嵌入到NiFe-LDH纳米片之间形成的间隙中。
另外，在一些实施例中，步骤1和步骤2中水热反应的条件均为：反应温度为100~150°C、反应时间为6~15h。该反应温度和反应时间首先确保形成的NiFe-LDH纳米片的尺寸，确保形成的NiFe-LDH纳米片具有较大的表面积从而为Pd纳米颗粒提供更多的附着位点；同时还确保Pd纳米颗粒的形成以及Pd纳米颗粒能够附着在NiFe-LDH纳米片上，进而避免NiFe-LDH纳米片的片径过小导致NiFe-LDH纳米片上Pd纳米颗粒的附着量低的问题，同时也避免了Pd纳米颗粒无法形成的问题。
另外，在一些实施例中，步骤1中硝酸镍和硝酸铁的摩尔比为（2:8）~ （8:2）；前驱液中每20~50mL的水中加入0.5-0.6g尿素。首先该摩尔比范围的硝酸镍和硝酸铁确保能够形成NiFe-LDH纳米片，而该范围内的尿素的用量可确保前驱液在水热反应中前驱液的pH值稳定在一个范围(9~10)，避免尿素过量或过少从而无法获得NiFe-LDH纳米片。另外，为了提高燃料电池电极的导电性，在一些实施例中，前驱液中还包括石墨烯，本实施例中对石墨烯的用量通常是0.291 g硝酸镍、0.403 g硝酸铁和0.6 g尿素制备的前驱体中石墨烯粉的含量为0.005 g。
此外，在本实施例中，为了利于NiFe-LDH纳米片堆叠在基底上，前驱液中还包括氟化铵，在实施例中，0.291 g硝酸镍、0.403 g硝酸铁和0.6 g尿素制备的前驱体时，氟化铵的用量为0.1~0.15 g。
此外，本实施例中步骤2中的沉淀剂包括尿素和氟化铵，本实施例中尿素和氟化铵的用量通常是0.015 g氯化钯需要加入0.6 g尿素和0.12 g氟化铵。
另外，为了促使前驱液和PdCl2前驱液溶液中的各种物质能够充分的溶解和分散，在前驱液和PdCl2前驱液溶液的配制时选用超声对前驱液和PdCl2前驱液溶液进行处理。此外，本实施例步骤1中的前驱体干燥条件和步骤2中燃料电池电极干燥条件均优选为：干燥温度为60°C、干燥时间为5h。
本发明第三方面的实施例是将第一方面的实施例中的燃料电池电极在作为甲醇燃料电池的阳极电极方面的应用。本发明中的燃料电池电极在作为甲醇燃料电池的阳极电极方面的应用时，其在甲醇氧化反应过程中具有优异的甲醇氧化稳定性以及甲醇氧化效率。
实施例
实施例1
一种Pb@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、NiFe-LDH/NF前驱体的制备，包括：
步骤S1、泡沫镍（NF）的预处理
首先将泡沫镍（NF）剪成2 cm×2 cm的均匀小方块，然后将NF分别放入丙酮和6mol/L的盐酸溶液中进行浸泡并超声20 min去除NF表面的杂质和氧化物；然后分别使用无水乙醇和去离子水对超声处理后的NF进行数次清洗，以去除其表面残留的杂质；最后，将清洗干净的NF放入真空干燥箱中，并在真空60°C下干燥12 h。
步骤S2、前驱液的配制
将0.291 g六水合硝酸镍、0.403 g九水合硝酸铁、0.6 g尿素、0.12g氟化铵和0.005 g石墨烯粉于烧杯中，然后用量筒量取20 ml去离子水与上述称量好的原料充分搅拌混合，得到混合溶液Ⅰ；再用超声对混合溶液Ⅰ进行15 min处理，从而获得均匀混合的前驱液。
步骤S3、水热反应
将步骤S2中获得的前驱液转移至100 ml聚四氟乙烯衬底的不锈钢水热反应釜中，并将步骤S1预处理后的NF水平放入配制好的前驱溶液中，使之完全浸没；最后将反应釜放入干燥箱中进行水热反应，水热反应条件为：反应温度120°C、反应时间10h。
步骤S4、洗涤与真空干燥
步骤S3反应结束后取出反应釜并使其自然冷却至室温，撇去液体后获得NiFe-LDH/NF前驱体，然后用无水乙醇和去离子水对NiFe-LDH/NF前驱体数次清洗以去除其表面的残余沉淀物；最后，将清洗干净的NiFe-LDH/NF前驱体置于真空干燥箱中进行干燥获得可用的NiFe-LDH/NF前驱体，其中，干燥条件为：干燥温度60 °C、干燥时间5 h。
步骤2、Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的制备，包括：
步骤A1、配置PdCl2前驱溶液
将0.015 g氯化钯、0.6 g尿素、0.12 g氟化铵置于烧杯中，然后用量筒量取20 ml去离子水与上述原料充分搅拌混合得到混合溶液Ⅱ，然后采用超声对获得的混合溶液Ⅱ进行15 min超声处理，以形成均匀混合的PdCl2前驱液。
步骤A2、水热反应
将A1获得的PdCl2前驱液转移到100 ml聚四氟乙烯衬底的不锈钢水热反应釜中，并将步骤1中获得的NiFe-LDH/NF前驱体置于PdCl2前驱液中，并使之被溶液完全浸没；最后将反应釜放入干燥箱中进行水热反应，水热反应条件为：反应温度100 °C、反应时间5 h。
步骤A3、洗涤与真空干燥
步骤A2反应结束后取出反应釜并使其自然冷却至室温，撇去液体后获得Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极，然后用无水乙醇和去离子水对Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极数次清洗以去除其表面的残余沉淀物；最后，将清洗干净的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极置于真空干燥箱中进行干燥获得可用的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极；其中，干燥条件为：干燥温度60 °C、干燥时间5 h。
对比例1
采用电沉积法制备Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极，具体包括以下步骤：
步骤（1）预处理泡沫镍
步骤S1、泡沫镍（NF）的预处理
首先将泡沫镍（Nickel foam，NF）剪成2 cm×2 cm的均匀小方块，然后将NF分别放入丙酮和6 mol/L的盐酸溶液中进行浸泡并超声20 min去除NF表面的杂质和氧化物；然后分别使用无水乙醇和去离子水对超声处理后的NF进行数次清洗，以去除其表面残留的杂质；最后，将清洗干净的NF放入真空干燥箱中，并在真空60°C下干燥12 h.。
步骤（2）前驱液配制
将0.291 g六水合硝酸镍、0.403 g九水合硝酸铁、0.6 g尿素和0.005 g石墨烯粉于烧杯中，然后用量筒量取20 ml去离子水与上述称量好的原料充分搅拌混合，得到混合溶液Ⅰ；再用超声对混合溶液Ⅰ进行15 min处理，从而获得均匀混合的前驱液。
步骤（3）电沉积制备Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极
将步骤（1）预处理的泡沫镍（尺寸为1cm×1cm）方块作为工作电极，铂丝作为对电极，Hg/HgO作为参比电极，步骤（2）中获得的前驱液作为电解液；然后在电势为-2 V vs.RHE的条件下沉积50s，沉积完成后，用去离子水和乙醇分别对沉积在NF上沉淀清洗3次，去除其表面的杂质后获得Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极。
测试分析：
1、XRD测试分析
对实施例1中制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极进行XRD测试分析，其测试结果如图1所示。根据图1可知，在Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的XRD图谱中，11.44°、22.99°与34.48°的衍射峰别对应Pd@NiFe-LDH(PDF#40-0215即标准卡片)的(003)、(006)与(012)晶面，表明了Pd@NiFe-LD/NF成功合成；其中，44.34°、51.67°与76.09°的衍射峰分别对应泡沫镍(PDF#04-0850)的(111)、(200)与(220)晶面。另外，从图1可知，由于泡沫镍基底的衍射峰强度过大，导致了其他物相的衍射峰的峰值相对强度较低。
2、SEM（扫描电镜）测试分析
将实施例1中制备的NiFe-LDH /NF前驱体和Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极进行SEM测试分析，其测试结果分别如图2中的(a)图和(b)图所示。
从图2中的(a)图可以看出，NiFe-LDH/NF前驱体中的NiFe-LDH纳米片堆叠生长在NF（泡沫镍）上，且NiFe-LDH纳米片之间形成间隙，即NiFe-LDH/NF前驱体呈现出三维结构结构和丰富的间隙结构，该类空间结构为Pd纳米颗粒提供了更多的附着位点，因此采用本前驱体制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极为MOR反应提供了丰富的反应活性位点。
从图2中(b)图可以看出，Pd纳米颗粒附着在NiFe-LDH纳米片上，并且从图(b)中可进一步看出Pd纳米颗粒为团簇状（即在NiFe-LDH纳米片发生了团簇形成了Pd纳米团簇颗粒或Pd纳米颗粒团簇后嵌入NiFe-LDH纳米片之间的间隙中），并且从图(b)中可进一步看出Pd纳米团簇颗粒是位于NiFe-LDH/NF前驱体中的NiFe-LDH纳米片之间形成的间隙中。因此，从图2中的（b）图可看出，此类复合结构优化了燃料电池电极的表面电子结构，减小了电子转移电阻，促进了甲醇氧化过程中的电子传输，从而有效提升了Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的甲醇氧化活性。
3、采用EDS对实施例1制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极进行表征，其测试结果如图3所示。从图3中可以看出，本发明制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极主要含有Pd、Ni、Fe、O等元素，其所占原子比分别为10.07%、8.35%、4.14%和77.44%。
4、采用伏安法对燃料电池电极进行测试分析
（1）采用循环伏安法对实施例1制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极和纯Pd燃料电池电极进行测试，测试时将两种燃料电池电极置于含有KOH和CH3OH的溶液中；其中，被测试的燃料电池电极的尺寸为1cm×1cm，溶液中KOH的摩尔浓度为1.0mol/L、CH3OH的摩尔浓度为1.0 mol/L。
Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极和纯Pd燃料电池电极测试的循环伏安图如图4所示，从图4中可以看出，随着电势增大，Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极在0.18V vs.Hg/HgO的电势下其氧化峰对应的电流密度值达到峰值（110.6 mA·cm-2），其峰值明显高于纯Pd燃料电池电极的峰值（71.4 mA·cm-2），该数据表明Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极相对于纯Pd燃料电池电极其具有更加优异的甲醇氧化性能，这是由于NiFe-LDH纳米片与Pd纳米颗粒复合增加了Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的表面活性位点，从而促进了Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极甲醇氧化性能的提升。此外，由于NiFe-LDH纳米片与Pd纳米颗粒充分混合后，Pd纳米团簇颗粒进入NiFe-LDH纳米片之间的间隙中，减少了NiFe-LDH纳米片之间的电子传输距离，促进了甲醇氧化速率的提高，电荷转移阻抗减小。同时，NiFe-LDH纳米片之间形成的独特空间结构有利于Pd纳米颗粒的负载、分散和传质，同时形成独特空间层状结构，增加Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的电化学活性表面积。
（2）采用伏安测试法对纯Pd燃料电池电极和Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极进行CV衰减测试，其衰减测试结果如图5所示，其中，（a）图为纯Pd燃料电池电极的CV衰减曲线图，（b）图为发明制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的CV衰减曲线图。
从图5的（a）图可以看出，纯Pd燃料电池电极在电势区间为-0.4 V vs.RHE~0.6Vvs.RHE的区间内经过10000次CV循环衰减，其甲醇氧化峰的峰值电流密度从71.4 mA·cm-2下降到了56.1 mA·cm-2；该数据表明随着甲醇氧化的进行，Pd被不断地消耗，最终导致纯Pd燃料电池电极的甲醇氧化峰值电流降低。
从图5的（b）图中可以看出，Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极在电势区间为-0.4 Vvs.RHE ~0.6V vs.RHE的区间内经过10000次CV循环衰减，其甲醇氧化峰的峰值电流密度从110.6 mA·cm-2下降到了106.1 mA·cm-2。
将图5中的（a）图和（b）图对比发现，在相同条件下进行CV衰减10000次，Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的峰值电流密度衰减值（即峰值电流密度与经过10000次CV循环衰减后的电流密度之间的差值）比纯Pd更小，这表明在长时间工作后，Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的甲醇氧化性能衰减比纯Pd燃料电池电极更少，因此，本发明制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极具有更加优异的甲醇氧化稳定性。
（3）采用伏安测试法对实施例1中制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极和对比例1中制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极进行甲醇氧化活性测试，其测试结果如图6所示。从图6中可以看出，采用本发明中的两步水热法制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的甲醇氧化峰值电流（110.6 mA cm-2）大于电沉积法制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极的甲醇氧化峰值电流99.9 mA cm-2），进而本发明采用两步水热法制备的Pd@NiFe-LDH/NF燃料电池电极具有更加优异的甲醇氧化能力。究其原因是因为采用水热法制备的NiFe-LDH纳米片之间形成的独特空间结构（三维结构和间隙结构）有利于Pd纳米颗粒的负载、分散和传质，同时可以有效增加燃料电池电极的反应活性位点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电极，其特征在于，所述燃料电池电极包括：
NiFe-LDH纳米片阵列，所述NiFe-LDH纳米片阵列呈三维结构，由NiFe-LDH纳米片堆叠形成且NiFe-LDH纳米片之间形成间隙；
Pd纳米颗粒，所述Pd纳米颗粒附着在NiFe-LDH纳米片上，和/或以Pd纳米团簇颗粒嵌入NiFe-LDH纳米片之间的间隙中，其中，所述Pd纳米团簇颗粒由Pd纳米颗粒团簇形成；
所述燃料电池电极的制备包括以下步骤：
步骤1、前驱体的制备
将预处理后的基底置于前驱液中并进行水热反应，反应结束后依次经清洗和干燥后获得前驱体；其中，所述前驱液包括硝酸镍、硝酸铁和尿素；
步骤2、燃料电池电极的制备
将步骤1中获得的前驱体置于PdCl2前驱液溶液中并进行水热反应，反应结束后依次经清洗和干燥后获得燃料电池电极；其中，所述PdCl2前驱液溶液包括氯化钯和沉淀剂。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其特征在于，所述NiFe-LDH纳米片的厚度为3~5 nm，所述NiFe-LDH纳米片的片径为200~500 nm。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其特征在于，所述Pd纳米团簇颗粒的粒径为10~20nm。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其特征在于，所述燃料电池电极中Pd元素的质量含量为：10%-70%。
5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池电极，其特征在于，所述燃料电池电极还包括基底，所述NiFe-LDH纳米片阵列位于基底上，所述基底包括泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝、碳纸和碳布中的任意一种。
6.权利要求1-5任一项所述的燃料电池电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、前驱体的制备
将预处理后的基底置于前驱液中并进行水热反应，反应结束后依次经清洗和干燥后获得前驱体；其中，所述前驱液包括硝酸镍、硝酸铁和尿素；
步骤2、燃料电池电极的制备
将步骤1中获得的前驱体置于PdCl2前驱液溶液中并进行水热反应，反应结束后依次经清洗和干燥后获得燃料电池电极；其中，所述PdCl2前驱液溶液包括氯化钯和沉淀剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2中水热反应的条件均为：反应温度为100~150°C、反应时间为6~15h。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中硝酸镍和硝酸铁的摩尔比为（2：8）~（8：2）；所述前驱液中每20~50mL的水加入0.5~0.6g尿素。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的前驱液中还包括石墨烯和氟化铵；所述步骤2中的沉淀剂包括尿素和氟化铵。
10.权利要求1-5任一项所述的燃料电池电极在作为甲醇燃料电池的阳极电极方面的应用。
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