[發明專利]一種具有表面納微米結構的電極材料、其制備方法和包含該材料的水合肼燃料電池

有效

• 申請號: 201510048250.7
• 申請日: 2015-01-29
• 公開（公告）號: CN104617307B
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發明（設計）人: 孫曉明;陸之毅;孫銘;常錚
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/083
• 代理公司: 北京權泰知識產權代理事務所(普通合伙)11460
• 代理人: 任永利

技術領域

本發明屬于無機先進納米材料技術領域。

背景技術

在各種便攜式液體燃料電池中，水合肼燃料電池由于其高的工作電壓(理論電壓為1.61V)所帶來的高能量密度和高功率密度而備受關注[Appl.Catal.B-Environ,2010,98,1；Angew.Chem.Int.Ed.,2007,46,8024]。影響該種燃料電池性能的關鍵因素有兩個，其一是電極材料的活性；其二是氣體產物在電極表面的粘附情況，這是因為在電催化過程中，產生的氣體產物(氮氣)會嚴重滯留在電極表面上，這會影響電極的真實活性面積，導致燃料不能順利到達材料表面，使得燃料電池的性能下降。所以，如何降低氣體產物在電極表面的粘附是提高水合肼燃料電池性能的一個關鍵問題。

為了解決上述問題，提出本發明。

發明概述

本發明的目的在于制備一種具有表面納微米結構的電極材料，使其對于氣體具有低粘附和界面超疏氣性質，解決一般水合肼燃料電池氧化電極表面氣體產物粘附的問題。

第一方面，本發明涉及一種具有表面納微米結構的電極材料，其包括：

導電基底；和

在所述導電基底上垂直于該基底生長的銅納微米片陣列或銅鎳合金納微米片陣列。

第二方面，本發明涉及一種具有表面納微米結構的電極材料的制備方法，其包括以下步驟：

a.配制電鍍液，制備銅納微米片陣列時電鍍液含有硫酸銅、硫酸鎳、次磷酸鈉、檸檬酸三鈉、硼酸和聚乙二醇，將所述電鍍液的pH調節至中性或堿性；制備銅鎳合金納微米片陣列時電鍍液含有硫酸鎳、硫酸銅、硼酸。b.將導電基底作為工作電極、惰性電極作為對電極插入在步驟a配制的電鍍液中進行電沉積；取出電沉積后的導電基底，洗滌并干燥，得到所述具有表面納微米結構的電極材料。

第三方面，本發明涉及一種水合肼燃料電池，其負極材料包含本發明第一方面提到的具有表面納微米結構的電極材料。

附圖說明

圖1是在本發明實施例1中制備的材料的掃描電鏡(SEM)照片圖。其中清楚地顯示出，銅納微米片陣列垂直于基底表面生長；其中基底為銅片。

圖2是在本發明實施例1中制備的材料在水下于單個氣泡的粘附力測試圖。其表示的是氣泡在水中位置固定不動，樣品在水中先靠近氣泡、再遠離氣泡的過程。從遠離氣泡的曲線可以看出，氣泡與本發明的材料之間的粘附力弱。

圖3是銅片在水下于單個氣泡的粘附力測試圖。從遠離氣泡的曲線可以看出，氣泡與銅片之間的粘附力強。

圖4是在本發明實施例1中制備的材料進行水合肼氧化反應時的氣泡逸出照片圖。從圖中可以看出，氣泡體積小且密集，說明氣泡及時地從材料表面逸出，該材料對于氣體具有低粘附和界面超疏氣性質。

圖5是銅片在進行水合肼氧化反應時的氣泡逸出照片圖。從圖中可以看出，氣泡體積大且疏松，說明氣泡不能及時地從銅片表面逸出，而是隨著氣體的產生體積不斷增大，說明該材料表面與氣體之間的粘附力較強，不具有界面疏氣性質。

圖6是在本發明實施例1中制備的材料的X射線光電子能譜圖(XPS)。通過其2p軌道電子的結合能數據與標準譜圖數據對比可以辨別出本發明的材料上的微米片為純銅單質而沒有鎳元素。

圖7是本發明實施例1中制備的材料和銅片在水合肼的堿性溶液中各自的氧化極化曲線，以甘汞電極為參比電極測得。由圖中可以看出，本發明的材料達到起峰電壓后電流密度迅速增大，表示水合肼被大量氧化，證明本發明的材料作為電極材料性能優良。其中“銅納微米片陣列-銅片”表示本發明實施例1中制備的電極材料，其中導電基底為銅片。

圖8是在本發明實施例2中制備的材料的掃描電鏡(SEM)照片圖。其中清楚地顯示出，銅納微米片陣列垂直于基底表面生長；其中基底為泡沫銅基底。

圖9是負極材料分別為本發明實施例2中制備的電極材料、泡沫銅和鉑碳催化劑薄膜，正極材料均為鉑碳催化劑薄膜構成的不同水合肼燃料電池的性能對比圖。其中負極電解液為含有水合肼的NaOH溶液，質子交換膜為Nafion115型質子交換膜。圖中“A/B”表示的含義為負極材料為A、正極材料為B構成的電池；“銅納微米片陣列-泡沫銅”表示本發明的電極材料，其中導電基底為泡沫銅基底。

圖10中圖10.a是在本發明實施例1中制備的材料在水下的氣泡接觸角示意圖，圖10.b是銅片在水下的氣泡接觸角示意圖。從其中氣泡與材料的接觸狀態可以看出，氣泡與本發明實施例1中制備的材料之間的粘附作用明顯小于氣泡與銅片之間的粘附作用，證明本發明的材料具備超疏氣性質。