[發(fā)明專利]一種自支撐催化層的制備方法

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• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN104716340A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 俞紅梅;張長昆;付麗;衣寶廉;邵志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 劉陽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種自支撐催化層的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)

膜電極組件（MEA）包含電化學(xué)反應(yīng)用陰極、陽極和中間聚合物膜，是電化學(xué)反應(yīng)裝置的最核心部分。傳統(tǒng)MEA如果將催化層直接制備到氣體擴(kuò)散層上，所形成的電極稱為氣體擴(kuò)散電極；如果將催化層直接制備到質(zhì)子交換膜上，所形成的電極稱為催化膜電極。

這些傳統(tǒng)MEA的制備方法為將催化劑漿料混合涂覆在聚合物膜上，形成密實(shí)分布的催化劑顆粒。這樣可能導(dǎo)致催化劑顆粒被覆蓋不能得到有效地利用，從而增加了成本。實(shí)現(xiàn)膜電極組件的微觀結(jié)構(gòu)的有序化將會增大電化學(xué)反應(yīng)界面面積。

專利CN1477724中涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件的制備方法。是以低沸點(diǎn)、低粘度醇為分散劑，以高沸點(diǎn)、高粘度醇為穩(wěn)定劑的方法制備的催化劑漿料能直接涂覆在導(dǎo)電膜表面。經(jīng)高沸點(diǎn)、高粘度醇預(yù)浸潤后的質(zhì)子導(dǎo)電膜，催化劑漿料置于其上不變形，能形成具有均勻、連續(xù)、高活性催化層的膜電極組件。

文章J.Mater.Chem.A,2013,1,491中設(shè)計(jì)一種在鍍靶膜的Nafion上沉積有序的PPy陣列用于擔(dān)載催化劑，制備的這種有序電極在甲醇燃料電池中有良好的性能。但是由于首先在Nafion膜上電鍍靶膜限制了它的應(yīng)用，且其催化劑采用噴涂鉑黑方式不利于催化劑分散。

本發(fā)明采用Co-OH-CO₃陣列作為有序載體，首先使催化劑負(fù)載于支撐體上，形成擁有有序微結(jié)構(gòu)的電極。將制備的電極熱壓于聚合物膜兩側(cè)，在酸溶液中去除掉Co-OH-CO₃載體最終得到自支撐催化層。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明描述了一種自支撐催化層的制備方法。包括有序電極微結(jié)構(gòu)的形成及自支撐催化層的裝配，首先利用Co-OH-CO₃陣列形成有序電極微結(jié)構(gòu)電極，再采用酸處理掉Co-OH-CO₃陣列得到自支撐催化層。

所述有序電極微結(jié)構(gòu)的形成包括，在基底上生長的規(guī)整取向的Co-OH-CO₃陣列，然后以此陣列載體沉積擔(dān)載催化劑涂層，形成擁有有序微結(jié)構(gòu)的電極。Co-OH-CO₃陣列的生長是通過高壓水熱法制備，包含以下步驟；

1）配制反應(yīng)溶液，將質(zhì)量分別2-10mM的氟化銨，5-25mM的尿素，1-5mM的硝酸鈷，溶于50ml的水中。

2）將基底浸漬入反應(yīng)溶液中，在高壓反應(yīng)釜中90-150℃下反應(yīng)30min-24h，在基底上制備成Co-OH-CO₃陣列。

步驟（2）中的基底為玻璃、鎳片、鎳網(wǎng)、不銹鋼、鈦片。

所擔(dān)載催化劑為鉑鈀貴金屬及其合金催化劑。

所擔(dān)載催化劑為Ni、Co、Cu、Fe過渡金屬。

催化劑擔(dān)載方式可采用電沉積、浸漬還原、蒸鍍、磁控濺射方法。

自支撐催化層的裝配；包括，將制備的有序微結(jié)構(gòu)電極熱壓到聚合物兩側(cè)，采用酸處理掉Co-OH-CO₃陣列得到自支撐催化層。熱壓時(shí)施加作用力大小為1～10MPa，作用時(shí)間在0.5～30min。所用溫度在50～200℃。

所用聚合物膜為一種離子傳導(dǎo)膜。處理時(shí)酸液可選HCl、H₂SO₄、HNO₃、HF，濃度可選2mM-1M。酸處理時(shí)間為5-24h。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)施例1制備Co-OH-CO₃陣列示意圖。

圖2本發(fā)明實(shí)施例2中制備的有序微結(jié)構(gòu)電極SEM圖。

圖3本發(fā)明實(shí)施例2中制備的有序微結(jié)構(gòu)電極單根TEM圖。

圖4本發(fā)明實(shí)施例2中制備的單根自支撐催化劑的TEM圖。

圖5本發(fā)明實(shí)施例2制備自支撐催化層流程圖。

圖6本發(fā)明實(shí)施例2制備自支撐催化層在燃料電池中的I-V性能曲線。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例將是對本發(fā)明的進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

以鎳網(wǎng)為基底采用水熱法制備Co-OH-CO₃陣列，反應(yīng)溶液為10mM的氟化銨，25mM的尿素，5mM的硝酸鈷，溶于50ml的水中。在高壓反應(yīng)釜中100℃下反應(yīng)4h，在基底上制備成Co-OH-CO₃陣列。

圖1所示為上述方法制備的Co-OH-CO₃陣列的SEM圖。

實(shí)施例2