[發明專利]基于3維質子導體的有序化單電極和膜電極及制備方法

有效

• 申請號: 201210197913.8
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN102738477A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 木士春;袁慶;潘牧
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/94
• 分類號: H01M4/94;H01M4/88;B82Y30/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張安國;伍見

1.一種具有納米纖維陣列結構的3維質子導體，其成分為導質子高聚物，其特征是：在作為3維質子導體基底的質子交換膜的一側定向生長和排列著導質子高聚物納米纖維陣列。

2.如權利要求1所述的具有納米纖維陣列結構的3維質子導體，其特征在于：所述的質子導體材料包括具有磺酸基團的全氟磺酸樹脂、部分氟化的質子交換樹脂BAM3G及非氟化的質子交換樹脂，所述的非氟化的質子交換樹脂是磺化聚砜類樹脂、磺化聚苯硫醚樹脂、磺化聚苯并咪唑、磺化聚磷腈、磺化聚酰亞胺樹脂、磺化聚苯乙烯樹脂或磺化聚醚醚酮樹脂。

3.如權利要求1所述的具有納米纖維陣列結構的3維質子導體，其特征在于：所述的質子導體納米纖維直徑小于500納米，長度小于10微米。

4.如權利要求1所述的具有納米纖維陣列結構的3維質子導體，其特征在于：所述的質子導體納米纖維直徑為10~200納米，長度為50納米~2微米。

5.如權利要求1所述的所述的具有納米纖維陣列結構的3維質子導體，其特征在于：作為質子導體納米纖維基底的質子交換膜厚度小于100微米。

6.一種有序化單電極，其特征在于：以具有納米纖維陣列結構的3維質子導體為基底，通過磁控濺射技術在納米質子導體纖維表面均勻鍍有一層納米活性金屬催化劑，鍍層厚度小于20nm。

7.如權利要求6所述的有序化單電極，其特征在于：所述的鍍層厚度為0.1~10納米。

8.如權利要求6或7所述的一種有序化單電極，其特征在于：所述的活性金屬催化劑為貴金屬單質或貴金屬合金，所述貴金屬合金為M_xN_y或M_xN_yO_z，其中M、N、O分別為Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、Fe、Cr、Ni、Co、Mn、Cu、Ti、Sn、V、Ga及Mo中的任一金屬元素，M、N、O三者互不相同，但至少有一種為貴金屬鉑，x、y和z為催化劑中各金屬質量比，其數值分別為大于0至100，且x+y=100或x+y+z=100，所述的貴金屬單質為Pt、Ru、Pd、Rh、Ir和Os中的任意一種。

9.一種有序化膜電極，以具有納米纖維陣列結構的3維質子導體為基底，其特征在于：膜電極兩側生長著質子導體納米纖維陣列，并在有納米纖維陣列的面均勻鍍有活性金屬催化劑層。

10.如權利要求1所述的一種具有納米纖維陣列結構的3維質子導體的制備方法，其特征在于制備步驟如下：

1）將洗凈、烘干的一端封孔的模板，孔道向上放入培養皿，將培養皿放入真空烘箱，烘箱溫度定在30~80℃，抽到真空到0.1大氣壓以下，然后加入導質子高聚物溶液，靜置，待溶液充分浸入模板孔道后，調至標準大氣壓，在30~80℃標準大氣壓的空氣氣氛下烘干，烘干后，將烘箱溫度上調至90~240℃恒溫使之玻璃化，然后自然冷卻，一起取出模板和導質子高聚物膜坯樣，放入的腐蝕液中腐蝕到模板從膜坯樣上自然脫落；

2）去離子水清洗干凈步驟1)中制備的膜坯樣，再放入裝有去離子水的培養皿中，有纖維的膜面向上浸沒在去離子水中，用凍干機凍干，即得到在質子交換膜單側表面有質子導體納米纖維陣列的3維結構質子導體。

11.如權利要求6所述的有序化單電極的制備方法，其特征在于，制備步驟如下：鉑金屬或者合金靶材放入真空蒸鍍儀器中，將具有納米纖維陣列結構的3維質子導體放入樣品室中蒸鍍，在3維質子導體具有纖維的一面以及纖維表面均勻鍍上一層活性金屬催化劑即得到單電極，其中真空蒸鍍室抽真空到小于5×10^-4Pa后，控制電子束電流為10~40A。

12.如權利要求9所述的一種有序化膜電極的制備方法，其特征在于制備步驟如下：?

1）取一個權利要求6所述的有序化單電極，在具有質子導體納米纖維陣列面的反面處滴加數滴導質子高聚物溶液，使其鋪滿整個面，再將另一個有序化單電極具有質子導體納米纖維陣列面的反面貼于其上，置于烘箱烘干，制得膜電極；

2）采用聚四氟乙烯疏水處理的碳紙作為氣體擴散層，將碳紙浸入到聚四氟乙烯疏水劑中，時間為5~10分鐘，并在340~350℃下煅燒20~30分鐘，其中聚四氟乙烯疏水劑的固含量20?wt%~30wt%；之后，再在其一側涂敷一層由聚四氟乙烯和導電碳黑微粒組成的微孔復合材料，構成微孔層，其中聚四氟乙烯的固含量為20?wt%~30wt%；經340~350℃下煅燒20~30分鐘后成型，得到預處理的氣體擴散層；

3）將步驟1）所得膜電極與兩片步驟2）經過預處理的氣體擴散層進行熱壓或冷接觸，獲得燃料電池膜電極，熱壓的壓力1~4MPa，溫度90~120℃，時間60~120秒。