[發(fā)明專利]基于金屬氧化物納米帶的有序化膜電極及其制備和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611014780.0
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN108075139B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邵志剛;曾亞超;俞紅梅;張洪杰;秦曉平;宋微;衣寶廉
• 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: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M8/1004;B82Y30/00
• 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)明提供一種基于金屬氧化物納米帶的有序化膜電極及其制備方法和應(yīng)用，包括金屬氧化物納米帶的制備，金屬氧化物納米帶的表面的修飾及有序化膜電極的裝配。首先在基底上生長具有規(guī)則取向的Co?OH?CO₃陣列，然后以Co?OH?CO₃納米棒陣列為模板制備金屬氧化物納米棒陣列，再在金屬氧化物納米棒陣列表面擔(dān)載催化劑，最后將陣列熱壓于離子交換膜上得到膜電極，并對膜電極進行凈化處理，所構(gòu)建的有序化膜電極可應(yīng)用于燃料電池、固體聚合物水電解池、一體式可再生燃料電池。本發(fā)明所構(gòu)建的膜電極具有催化劑擔(dān)載量低、催化劑利用率高、易于放大等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種有序化膜電極的制備方法，屬于燃料電池、固體聚合物水電解池領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著技術(shù)、經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類社會對能源的需求不斷加大。一種清潔、高效的儲能技術(shù)成為全人類的訴求。而日趨惡化的生態(tài)環(huán)境迫使人們加大研發(fā)的力度。

氫作為一種清潔、高效的能源載體，已成為世界各國政府和研究機構(gòu)的研究重點。電解堿液制氫技術(shù)曾是大型制氫的主流技術(shù)。但是其電解液容易發(fā)生流失，使用的石棉隔膜對環(huán)境有危害，導(dǎo)致這種技術(shù)被淘汰掉。而固體聚合物電解技術(shù)(Solid PolymerElectrolyte，SPE)，由于具有環(huán)境友好、產(chǎn)氫純度高、能量效率高、易于維護等優(yōu)點，成為研究熱點。

燃料電池是一種高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，可有效地將存儲于氫氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(lǐng)域取得應(yīng)用。質(zhì)子交換膜燃料電池以其功率密度高、啟動速度快、轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點受到廣泛的關(guān)注。

一體式可再生燃料電池是固體聚合物水電解池和燃料電池的集合體，。當(dāng)電池處于固體聚合物水電解池的工作模式的時候，電極一側(cè)發(fā)生氧析出反應(yīng)(Oxygen EvolutionReaction,OER)，電極成為陽極；當(dāng)電池處于燃料電池的工作模式的時候，電極一側(cè)發(fā)生氧還原反應(yīng)(Oxygen Reduction Reaction,ORR)，電極成為陰極。一體式可再生燃料電池具備有固體聚合物電解池和燃料電池雙重功能及特點，是電能-氫能的存儲、轉(zhuǎn)換的高效裝置。

膜電極組件(MEA)是燃料電池、固體聚合物水電解池、一體式可再生燃料電池的核心部件，它由位于質(zhì)子交換膜兩側(cè)的催化層和氣體擴散層組成。膜電極主要分為氣體擴散電極(Gas Diffusion Electrode，GDE)、薄層覆膜電極(Catalyst-coated Membrane，CCM)和以美國3M公司的納米薄層電極(Nanostructured Thin Film，NSTF)為代表的有序化電極。GDE采用絲網(wǎng)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(jīng)過高溫處理后向催化層表面噴涂Naifon溶液實現(xiàn)電極立體化；CCM目前則普遍采用噴涂、轉(zhuǎn)印等制備工藝，將催化劑、離子導(dǎo)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(zhuǎn)印到膜上，形成膜催化層一體化電極。傳統(tǒng)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，使得催化劑的用量高、催化劑利用率低。為解決燃料電池貴重金屬用量高、催化劑利用率低的問題，3M公司開發(fā)的NSTF電極，它具有微觀有序、催化劑擔(dān)載量低等特點，可有效降低傳質(zhì)阻力并提高催化劑的利用率。

專利US20110151353A1介紹了一種NSTF電極的制備方法，具體為采用磁控濺射技術(shù)在有序化納米晶須陣列上沉積Pt、Mn、Co、Ir等金屬，然后將擔(dān)載有催化劑的納米棒陣列轉(zhuǎn)印于離子交換膜的一側(cè)或者兩側(cè)，所制備的電極適用于燃料電池。該發(fā)明所制備的電極具有貴金屬用量低、電化學(xué)活性高、穩(wěn)定性好、傳質(zhì)阻力小等優(yōu)點。

專利CN201210231717.8介紹了一種復(fù)合電極的制備方法，具體為采用二次陽極氧化發(fā)制備了高度有序的二氧化鈦納米管陣列，然后在二氧化鈦納米管陣列上沉積鉑基催化劑。該專利所制備的電極具有擔(dān)量低、厚度薄的特點。