[發(fā)明專利]燃料電池用致密鉑單原子層催化的制備及電極和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510864125.3
• 申請(qǐng)日: 2015-11-27
• 公開（公告）號(hào): CN106816614B
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邵志剛;張洪杰;曾亞超;蔣尚峰;白楊芝;衣寶廉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): H01M8/10
• 分類號(hào): H01M8/10;H01M4/92;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: 馬馳

本發(fā)明提供了一種燃料電池用致密鉑單原子層催化電極及其制備方法。首先以金箔(Au/Ag films)為原材料，采用脫合金法得到納米多孔金薄膜，然后將此薄膜轉(zhuǎn)印于玻碳電極表面或質(zhì)子交換膜的一側(cè)。以此作為基底采用電化學(xué)和化學(xué)相結(jié)合的方法在混合電解液中沉積鉑，形成基于納米多孔金的致密鉑單層催化電極。本發(fā)明所采用的方法具有環(huán)境友好、一步完成、催化劑擔(dān)載量可控、單原子層致密等優(yōu)點(diǎn)。所構(gòu)建的基于納米多孔金致密鉑單層催化電極可用于燃料電池以及其它電池與電化學(xué)反應(yīng)器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于催化燃料電池電極反應(yīng)的致密鉑單原子層催化電極及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池是一種潔凈、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，目前已在電動(dòng)汽車、分布式電站、航空、潛艇等多個(gè)領(lǐng)域取得了應(yīng)用。其中質(zhì)子交換膜燃料電池以其功率密度高、啟動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。電極是燃料電池的核心部件，是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所。為了實(shí)現(xiàn)燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用，目前亟待解決的問題之一是在保證活性的前提下降低電極中貴金屬鉑的用量，從而降低成本。

納米多孔金(NPG，Nanoporous Gold))薄膜的厚度可在100nm～1μm的范圍內(nèi)調(diào)變，此外它還具有三維連續(xù)的貫通孔道結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、較大的比表面積，可用于制備燃料電池薄層電極。

現(xiàn)有技術(shù)主要采用化學(xué)還原的方法和電化學(xué)沉積的方法制備低鉑載量的催化電極。

專利WO2004021481-A1介紹了一種納米多孔金(NPG，nanoporous gold)負(fù)載金屬Pt用于質(zhì)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；然后，將納米多孔金置于含Pt前驅(qū)體的溶液中，使納米多孔金平鋪于液面，然后向反應(yīng)器中通入肼蒸汽，Pt的前驅(qū)體被還原在納米多孔金的表面上，最終形成NPG負(fù)載～3nmPt層的催化電極。

專利CN101332425-A介紹了一種在納米多孔金的內(nèi)表面均勻覆蓋鉑系金屬原子層的方法。該方法原理是欠電位沉積。具體如下：1)用硝酸對(duì)金箔進(jìn)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(duì)電極、SCE為參比電極，在充分除氧的含有0.01～100mM銅、銀或鉛離子的酸性溶液中欠電勢(shì)沉積銅、銀或鉛，沉積的電勢(shì)范圍(-0.5V，-0.3V)vs.SCE，沉積時(shí)間1～10min；3)將工作電極轉(zhuǎn)移到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(jī)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層的方法。納米多孔金表面修飾Pt的方法是浸漬-電化學(xué)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(qū)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，0.5M H2SO4作為電解液；采用恒電勢(shì)法或者循環(huán)伏安電沉積法在納米多孔金表面沉積鉑層；4)重復(fù)2)、3)以控制鉑層厚度。

化學(xué)還原方法是指通過利用適當(dāng)?shù)倪€原劑、表面活性劑等在一定的條件下使反應(yīng)物發(fā)生特定的還原反應(yīng)制備鉑層催化電極。如上述專利所述的制備過程中采用肼作為還原劑，這對(duì)環(huán)境及人體有潛在的危害，并且這種化學(xué)還原的方法不便控制Pt層厚度。電化學(xué)沉積結(jié)合置換反應(yīng)的方法可以制備出均勻Pt原子層催化電極，但制備過程分多步進(jìn)行，電極轉(zhuǎn)移過程中單原子層容易氧化。

本發(fā)明主要針對(duì)解決上述現(xiàn)有技術(shù)或制備方法中存在的問題，提供一種基于納米多孔金的致密鉑單原子層催化電極的制備方法，該方法制備過程一步完成、可以實(shí)現(xiàn)鉑單原子層、Pt層覆蓋致密等。

發(fā)明內(nèi)容