[發明專利]3維陣列式金屬-質子導體高聚物同軸納米線單電極及有序化膜電極與制備

無效

• 申請號: 201210197931.6
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN102723500A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 木士春;李懷光;張瀟
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/10;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

技術領域

本發明涉及一種高度有序化3維（3D）金屬-質子導體高聚物同軸納米線單電極及有序化燃料電池膜電極，本發明涉及該種單電極及有序化燃料電池膜電極的制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池（Proton?Exchange?Membrane?Fuel?Cell?簡稱PEMFC）作為一種新型的能源裝置，具有工作溫度低、無污染、比功率大、啟動迅速等諸多優點，越來越受到人們的關注，已成為世界各國競相研究的熱點。在燃料電池中通常使用的催化劑為貴重金屬鉑或鉑的合金。但是，鉑資源稀缺，價格昂貴，因此需要提高Pt的利用率，降低Pt的用量，以達到降低燃料電池成本的目的。目前人們普遍采用碳黑作為催化劑載體，這是因為碳黑具有較高的比表面積且具有良好的導電性和較佳的孔結構，有利于提高的金屬Pt的顆粒分散性。中國科學院長春應用化學研究所（CN1165092C）采用氯化銨、氯化鉀等作為氯鉑酸的錨定物，制得了鉑顆粒在活性炭孔隙內及表面上均勻分布的Pt/C（碳載鉑）催化劑。中國科學院理化技術研究所（CN1677729A）采用膠體法首先制備PtO_x膠體，然后進行氣相還原制備出粒徑均一、高度分散的Pt/C催化劑。北京科技大學（CN1243390C）先用含有弱還原劑亞錫酸的高堿性溶液對碳黑載體進行預處理，使碳黑表面活性點分布均勻；然后加入到氯鉑酸和氯化釕混合溶液中還原沉積得到PtRu/C催化劑。但以上方法制備的Pt/C、PtM/C中Pt的利用率不會很高，一個重要的原因是大量的鉑或鉑合金微粒進入到碳表面的微孔中，由于被埋藏的這部分鉑或鉑合金不能與質子導體相接觸，因此難以形成更多的三相反應界面，從而降低了鉑的利用率。此外，由于Pt或Pt合金與碳直接相連，在制備膜電極過程中，質子交換樹脂不能進入到Pt或Pt合金與碳之間的位置。這一方面減少了三相反應區，另一方面由于缺乏粘結作用，Pt或Pt合金與碳之間的結合強度不高。另外在PEMFC中，由于催化劑的工作環境惡劣，從而使碳黑的耐久性受到了削弱。而且Pt的存在會加速碳的老化，從而又造成Pt的脫落，這也將會大大降低催化劑的耐久性。

高聚物納米線（Nanowires）具有比較好的抗化學腐蝕性能，因此若作為催化劑載體，可具有較好的抗腐蝕性能。本發明采用導質子高聚物納米線作為燃料電池催化劑載體，金屬合金或單質薄膜均勻包裹在高聚物納米線外表面構成有序化燃料電池催化劑層。與背景技術相比，本發明具有以下優點：1）催化劑層具備良好的導電能力；2）具備優異的抗腐蝕性能；3）導質子高聚物本身就是質子導體，合成的催化劑層亦具有較強的導質子性能。3）由于實現了膜電極的有序化，金屬與薄膜可以有效的提高貴金屬的利用率，有利于水的輸運與反應氣體的傳質。

目前，尚未有使用3維陣列式金屬-質子導體高聚物同軸納米線單電極及有序化膜電極的報道。

發明內容

本發明目的是提供一種具有3D同軸結構的金屬-質子導體高聚物單電極，以及由單電極構建的納米有序化質子交換膜燃料電池膜電極的制備方法。

本發明的一種金屬-質子導體高聚物單電極，其特征在于：該單電極金屬-質子導體高聚物具有3維同軸結構。

本發明的一種具有3維同軸結構的金屬-質子導體高聚物單電極，其質子導體高聚物具有3維結構，由質子交換膜及其一側定向生長著質子導體高聚物納米線陣列共同組成3維結構質子導體高聚物，金屬納米薄膜包敷在質子導體高聚物納米線外側，形成具有金屬-質子導體高聚物納米同軸結構的單電極。

本發明所述的質子導體高聚物成分為全氟磺酸樹脂、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、磺化聚醚醚酮樹脂中任一種。

本發明所述的質子導體高聚物納米線直徑小于500納米，其中最佳直徑為10~200納米，長度通常小于10微米，最佳長度為50納米~2微米。作為質子導體納米纖維基底的質子交換膜厚度通常于小200微米，更佳厚度為50納米到100微米。

本發明所述的納米金屬薄膜，其厚度小于20納米，優選厚度為0.1~10納米。本發明所述納米金屬薄膜也可具有多孔結構。