[發(fā)明專利]一種硅基有序化電極及其制備方法和應用

在審

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• 申請日: 2016-12-10
• 公開（公告）號: CN108232204A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發(fā)明（設計）人: 孫公權;夏章訊;王素力
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;B82Y30/00;G01N27/30
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明提供一種硅基有序化電極及其制備方法和應用,所述硅基有序化電極，以氣體擴散層或電解質膜為基底，所述電極微觀上為基底表面附著有具有平行排列的硅基納米線陣列結構，硅基納米線垂直垂直附著于基底表面，所述納米線表面依次生長或附著有導電碳層、金屬納米粒子層和聚離子層；所述納米線長度為1?100μm；直徑為0.02?4微米；所述納米線陣列的密度為每平方毫米4×10⁴?1×10⁸個納米線。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有結構有序可控、貴金屬催化活性高、貴金屬利用率高、傳質性能好、實用性強等優(yōu)點。

技術領域

本發(fā)明涉及一種新型多級有序的復合納米材料及其結構，具體的說這種材料具有一種有序納米線陣列，納米線表面具有碳層修飾與鉑納米粒子層修飾，最外層具有全氟磺酸聚離子修飾層，其可用于質子交換膜燃料電池、直接液體燃料電池、金屬空氣電池和超級電容器、電化學傳感器等電極中。

本發(fā)明還涉及上述復合材料的制備方法。

背景技術

具有有序納米結構的電荷傳導與電催化功能的復合材料在電子、能源、生物醫(yī)藥等領域具有巨大的應用潛力。電極中適用于電化學環(huán)境的導電材料通常為基于碳的各類納米材料，例如碳納米管、石墨烯、活性炭等。這類材料具有的一個顯著特點為其通常呈現(xiàn)出柔性特征。在燃料電池電極等的應用領域，結構上的有序性以及電荷、物質傳導的可控性是研究電極基本過程、闡釋電極電化學行為的基本要求。電化學環(huán)境中的微觀流體存在著與宏觀流體截然不同的行為機制，其更為復雜多變的環(huán)境特征與傳輸結構使得對其的深入研究充滿了困難與挑戰(zhàn)。因此，設計并制備出與理論接近的模型電極結構，并開發(fā)出能有效表征電極過程的手段，是研究燃料電池中電化學微流體傳質行為本質的關鍵所在。以質子交換膜燃料電池氧還原反應陰極為例，其電極基本過程依次為氧氣分子通過對流、擴散等傳遞并吸附于鉑等催化活性位點表面，通過質子交換膜遷移的氫離子進一步通過聚離子等傳輸通道遷移至活性位點，在一定電位下與吸附的氧氣分子發(fā)生質電耦合電化學反應，產物水離開活性位點并沿孔道排出，生成的電子沿導電載體傳導并對外做功。包含傳輸氣體、液體、質子、電子的四個通道，是燃料電池電極的基本組成要素，而平行于傳質方向的通道則是一種理想的電極結構。

具有有序陣列結構的電極被普遍認為是一種研究燃料電池電極過程的理想平臺，并可能成為膜電極未來發(fā)展的方向之一。為了研究燃料電池的物質傳遞過程，這種陣列結構還需滿足如下條件。首先，構成陣列的材料需要足夠的導電性；陣列構成的孔道尺寸及孔隙率可在一定范圍內有效調控；陣列表面需要具有質子傳導功能的結構；最后，陣列材料表面需要一定密度的催化活性材料。目前可用于燃料電池電極的陣列結構，大多基于碳納米管或碳納米纖維等材料。這類材料由于CVD等方法的局限，往往無法實現(xiàn)孔道尺寸及孔隙率一致性以及可控調節(jié)，同時由于材料本身的剛性不足，在電極組裝過程中其結構容易受到破壞，無法實現(xiàn)模型電極的研究功能。另一方面，目前針對燃料電池電極結構及過程的實時原位研究方法仍較為匱乏，氣液物質傳遞的各項參數(shù)難以在線檢測，也成為目前電極過程研究的主要障礙。

本發(fā)明通過模板印刷與化學刻蝕方法制備具有較高機械強度與結構精確可控的硅基陣列結構，并通過氣相沉積修飾導電碳層與鉑基催化活性粒子，構建具有均一、有序、尺寸精確的模型結構電極。

發(fā)明內容

本發(fā)明將制備一種基于剛性硅基材料的有序陣列模型電極的控制制備，這種電極具有在垂直于電解質膜方向上有序的硅納米線陣列，陣列表面覆蓋導電納米薄層，薄層表面均勻覆蓋金屬納米粒子，其上再覆蓋聚離子薄層，可作為燃料電池、金屬空氣電池、電化學傳感器等器件的多孔電極。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下具體方案來實現(xiàn)：