[發明專利]一種鎳鈀/硅微通道催化劑及應用于制備可集成直接甲醇燃料電池電極

無效

• 申請號: 200910048091.5
• 申請日: 2009-03-24
• 公開（公告）號: CN101579632A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發明（設計）人: 王連衛;苗鳳娟;陶佰睿
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: B01J23/89
• 分類號: B01J23/89;B01J37/00;C23C18/34;C23C18/44;H01M4/88;H01M4/92
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司
• 代理人: 吳瑾瑜

技術領域

本發明涉及燃料電池催化劑領域，具體涉及了一種鎳鈀/硅微通道催化劑，以及將這種鎳鈀/硅微通道催化劑應用于制備可集成直接甲醇燃料電池的電極材料。

背景技術

直接甲醇燃料電池(DMFC)是利用甲醇直接在電極上反應從而轉變成電能的發電裝置。與氣體燃料電池相比，甲醇來源豐富，易于存儲，具有較高的能量轉換效率，反應產物主要是二氧化碳和水，對環境非常友好。與H₂-O₂燃料電池相比，DMFC有較高的體積能量密度，所以近年來備受關注。

對于DMFC而言，利用催化劑不僅可以加速電極反應、有效的抑制負反應的發生，而且更重要的是可以提高電池的能量輸出效率和整體的性能。目前，DMFC的陰極和陽極所使用的催化劑大都是以pt為基礎的貴金屬催化劑，但這種催化劑價格昂貴且容易受一些化學物質的影響而產生中毒現象，影響了pt對氧還原的催化活性，與此同時選擇良好的催化劑支撐體也是提高電池整體性能的關鍵。目前，主要采用的是碳載貴金屬催化劑的方式作為電極材料，例如：碳納米管等。但碳材料本身卻無法與硅工藝相結合，所以不利于微型化、集成化的直接甲醇燃料電池的制備。

為此我們采用以硅微通道電化學深刻蝕技術為基礎結合無電沉積技術，使微通道板上均勻的沉積上金屬(Ni-Pd)，得到以硅微通道為支撐體的、具有較大的比表面積的直接甲醇燃料電池的一種新型催化劑，這種硅微通道支撐的催化劑體有較大的孔隙率，非常有利于催化劑與甲醇良好接觸，同時因為與硅接觸的金屬鎳薄膜在高溫退火時形成的Ni-Si相與硅有較好的晶格匹配能力，且可以抗堿性溶液腐蝕，該結構構建的直接甲醇燃料電池的催化劑材料有較好的力學穩定性，且成本較低，毒害性小，工藝簡單，必將為更好的構建直接甲醇燃料電池提供有利基礎。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鎳鈀/硅微通道催化劑。

本發明的另一個目的在于將這種鎳鈀/硅微通道催化劑應用于制備可集成直接甲醇燃料電池的電極材料。

一種鎳鈀/硅微通道催化劑，其制備方法包括如下步驟：

(1)在硅微通道骨架上無電鍍沉積鎳鈀薄膜，制得鎳鈀/硅微通道復合材料：用1％～5％HF溶液洗滌硅微通道，以硅微通道為襯底，利用無電電鍍液在硅微通道的內表面無電鍍沉積鎳鈀薄膜，反應時間為20～40分鐘，反應溫度為80～85℃；

無電電鍍液用氨水調節pH至7～9，其組成包括：

鎳鹽，其中Ni²⁺為1～2M，

鈀鹽，其中Pd2⁺為0.2～0.4g/L

十二烷基硫酸鈉10～20mg/L，

氟化氨2.5～7.5M

檸檬酸鈉0.2～0.4M；

(2)在氬氣氣氛中，300～500℃條件下將所得鎳鈀/硅微通道復合材料快速退火6～10分鐘。

鈀鹽為氯化鈀。

這種鎳鈀/硅微通道催化劑在制備可集成直接甲醇燃料電池電極方面的應用。

這種鎳鈀/硅微通道催化劑，以硅基微通道為支撐體系，通過在其內表面均勻覆蓋金屬鎳鈀薄層，避免硅受到堿性溶液腐蝕的同時提供了對甲醇的良好催化作用，通過電化學儀器測試得出，能較好的與MEMS工藝相結合，為構建微型化、集成化的微型直接甲醇燃料電池提供可行的道路。

本發明以硅工藝為基礎，與半導體工藝相結合，與MEMS(微納機械系統)工藝兼容，主要采用電化學制程，成本低，操作簡單，實現容易；其微通道孔度均勻，比表面積和深寬比較大。

所使用的無電鍍鍍液配制簡單，使用的原料常見，價格低廉，成本低。

所得催化劑較鉑及鉑基催化劑成本低廉，催化活性好，有利于生產和實際應用。

鎳鈀/硅微通道催化劑的多孔管狀結構孔道連通性好、規則均勻，比表面積大，化學活性大，有利于電解液更好的與活性材料相接觸，提高了活性物質的有效質量，從而可較大提高的催化能力，大大提高直接甲醇燃料電池的性價比和市場競爭力。

本發明與現有技術相比，采用非鉑材料為催化劑成本低廉，且避免了中毒現象，同時采用硅基為支撐材料可較好的與現有的微電子加工工藝相結合，使直接甲醇燃料電池更容易微型化、集成化。

附圖說明

圖1：電化學陽極腐蝕的硅微通道的SEM圖片；

圖2：鎳鈀/硅微通道催化劑的SEM照片；

圖3：硅微通道內無電電鍍金屬合金退火后的EDS照片；

圖4：循環伏安測試曲線；

(a)在1M氫氧化鈉電解液中的循環伏安測試曲線

(b)在1M氫氧化鈉加1M甲醇電解液中的循環伏安測試結果