[發明專利]一種納米多孔金用于燃料電池薄層電極的制備方法

在審

• 申請號: 201410608422.7
• 申請日: 2014-11-03
• 公開（公告）號: CN105633420A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發明（設計）人: 邵志剛;曾亞超;俞紅梅;郭曉倩;王志強;秦曉平;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種納米多孔金用于燃料電池薄層電極的制備方法，屬于燃料電 池領域。

背景技術

燃料電池是一種高效的能量轉換裝置，可有效將存儲于化學物質中的化學能 轉化為電能。目前，燃料電池已在電動汽車、分布式電站、航空等多個領域取 得應用。質子交換膜燃料電池以其功率密度高、啟動速度快、轉換效率高、環 境友好等優點受到廣泛的關注。

膜電極組件(MEA)是電化學反應裝置的核心部件，它由位于質子交換膜兩 側的催化層和擴散層組成。膜電極主要分為氣體擴散電極(GasDiffusion Electrode，GDE)、薄層覆膜電極(catalystcoatedmembrane，CCM)和以美國 3M公司的納米薄層電極(nanostructuredthinfilm，NSTF)為代表的有序化電極 (orderedMEAs)。氣體擴散電極采用絲網印刷、靜電噴涂等工藝制備，將催化 劑、憎水劑、有機溶劑組成催化劑漿料刷到氣體擴散層上，經過高溫處理后向 催化層表面噴涂Naifon溶液實現電極立體化；薄層覆膜電極目前則普遍采用噴 涂、轉印等制備工藝，將催化劑、離子導體樹脂和有機溶劑組成的漿料噴涂到 膜上，或者先將漿料噴涂到其他載體上再轉印到膜上，形成膜催化層一體化電 極。傳統的CCM電極、GDE電極的制備工藝成熟，但電極的催化層厚度大、 催化劑呈無序堆積，使得催化劑的用量居高不下、催化劑利用率低。基于此， 美國3M公司開發了超薄電極，它具有微觀有序、催化劑擔載量低等特點，可有 效降低傳質阻力并提高催化劑的利用率。

納米多孔金(NPG，NanoporousGold))薄膜的厚度可在100nm～1μm的范圍 內靈活調變，它還具有均一可調變的三維聯通孔道、良好的導電性、較大的比 表面積，可用于制備燃料電池薄層電極。

專利WO2004021481-A1介紹了一種將納米多孔金(NPG，nanoporousgold) 用于質子交換膜燃料電池的方法。首先，采用去合金法制備了納米多孔金薄膜； 然后，將納米多孔金轉移至Pt的前驅體溶液中，納米多孔金在溶液的表面張力 的作用下在液面鋪展開來，然后向反應器中引入肼蒸汽，Pt的前驅體在納米多 孔金的內表面上還原，最終形成發3nm左右的Pt層。發明人采用一種轉輪裝置 將修飾有Pt層的納米多孔金轉移至Nafion膜上，將Nafion膜在140℃下熱處理 2min。采用這種納米材料組裝的電池功率在140mWcm^-2左右。

專利CN101332425-A介紹了一種在納米多孔金的內表面均勻覆蓋鉑系金屬 原子層的方法。所采用的方法的原理是欠電位沉積。具體方法如下：1)用硝酸 對市售金箔進行去合金化處理，得到納米多孔金；2)以多孔金為工作電極、石 墨片為對電極、SCE為參比電極，在充分除氧的含有0.01～100mM銅、銀或者 鉛離子的酸性溶液中欠電勢沉積銅、銀或者鉛，沉積的電勢范圍(-0.5V，-0.3V) vs.SCE，沉積時間1～10min；3)將工作電極浸入0.01～100mM的鉑系金屬陽離 子溶液中置換5～30min。該專利所制備的催化劑主要用于有機小分子的直接電氧 化。

專利WO2012102712-A1和WO2012102714-A1介紹了一種納米多孔金表面 修飾Pt及MEA的組裝方法。納米多孔金表面修飾Pt的方法是浸漬-電化學還原 法。具體方法是：1)去合金法制備納米多孔金；2)將納米多孔金浸漬于氯鉑 酸或者氯鉑酸鹽溶液中；3)用去離子水浸洗吸附有前驅體的納米多孔金，以控 制鉑層的厚度；3)采用三電極體系，納米多孔金作為工作電極，0.5MH₂SO₄作為電解液；采用恒電勢法或者循環伏安電沉積法在納米多孔金表面沉積鉑層； 4)重復2)、3)以控制鉑層厚度。MEA的制備：將修飾有Pt的納米多孔金作 為陽極，Nafion膜作為固體電解質(陰極未具體說明是哪種材料)熱壓制備了 MEA。這種MEA應用于直接甲酸燃料電池，最大功率密度為100mWcm^-2，但 是上述的制備過程中采用肼作為還原劑，對環境及人體有潛在的危害，

上述專利中普遍將納米多孔金薄膜作為自支撐的結構，然后對其內表面進行 修飾，但在制備的過程中納米多孔金薄膜易碎，這增加了納米多孔金表面修飾 的難度，使得納米多孔金薄膜這種功能材料在工程應用中受到限制。