[發(fā)明專利]激光合成銀與氧化亞銅復(fù)合材料的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710271741.7
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107204472B
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜希文;李喆;董存庫
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M4/90;B82Y40/00
• 代理公司: 12201 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所
• 代理人: 張宏祥<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發(fā)明公開了一種激光合成銀與氧化亞銅復(fù)合材的方法，以銀銅合金靶為原料，先將靶材表打磨、清洗，再將靶材置于燒杯中，加入去離子水，啟動納秒脈沖激光器，燒蝕銀銅合金靶；然后將燒杯中的溶液取出，將溶液進行離心富集，再放到冰箱中進行冷凍凝固，冷凍凝固后的溶液放到真空冷凍干燥機中進行干燥，得到銀與氧化亞銅復(fù)合納米顆粒。本發(fā)明利用銀與氧化亞銅的協(xié)同效應(yīng)克服了現(xiàn)有銀納米顆粒的氧吸附較弱以及氧化亞銅氧還原能力較差的問題，在常溫常壓及普通的合成環(huán)境下得到了具有超越商用貴金屬鉑碳催化劑氧還原性能的燃料電池陰極氧還原催化劑。且工藝簡單、易于控制，產(chǎn)物產(chǎn)量豐富，是一種綠色合成工藝。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于燃料電池的，特別涉及一種燃料電池陰極氧還原催化劑的激光合成銀與氧化亞銅復(fù)合材料。

背景技術(shù)

21世紀，能源成正逐漸成為世界各個國家的關(guān)注焦點。人類社會的一切日常生活與生產(chǎn)活動，都離不開各種各樣的能源，由此產(chǎn)生的能源問題正進一步限制著全球的經(jīng)濟發(fā)展，且隨著能源的消耗所帶來的能源短缺以及各種各樣的環(huán)境污染正逐漸威脅著人類的生存。為解決這一系列能源問題，人類正加緊探索研究可持續(xù)的環(huán)境友好的新型能源利用方式來替代傳統(tǒng)能源技術(shù)來提升能源的利用效率以及減少或者消除能源利用過程中的環(huán)境污染。燃料電池是一種使用燃料進行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的裝置，是繼水力發(fā)電、火力發(fā)電和核能發(fā)電之后的第四種發(fā)電方式，是一種高效率利用能源而又不造成環(huán)境污染的新技術(shù)，燃料電池被稱為是21世紀能源之星。燃料電池種類繁多，但其具有相同的工作原理，主要由參與氧化反應(yīng)的陽極催化劑、參與還原反應(yīng)的陰極催化劑、將陰陽極相隔開的電解質(zhì)隔膜以及集流板等四個主要部分構(gòu)成。燃料原料在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，兩個反應(yīng)同時發(fā)生時就可以向外界源源不斷地提供電力，直接將燃料原料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。理論上，燃料電池的能源效率可達60-70％，遠高于受卡諾循環(huán)限制的內(nèi)燃機能源效率，可以大大地提升能源的利用效率并減少環(huán)境污染，參見Yao Nie,Li Li,Zidong Wei.Chem.Soc.Rev.,2015,44,2168-2201。雖然燃料電池技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很多突破性的成果，但是燃料電池的效率的提高仍然受限于陰極催化劑的氧還原反應(yīng)。氧還原反應(yīng)機理復(fù)雜，主要分為兩種反應(yīng)途徑，一種是直接的氧還原的四電子反應(yīng)；一種是以過氧化氫為中間產(chǎn)物的二電子反應(yīng)途徑；氧氣分子的氧-氧鍵的解離能遠高于質(zhì)子化生成過氧化氫后的氧-氧鍵解離能，所以氧還原反應(yīng)在大部分電極表面是按完全的二電子反應(yīng)途徑或者二電子反應(yīng)與四電子反應(yīng)途徑共存的方式進行。當氧還原以直接四電子途徑進行時，理論上可以產(chǎn)生的陰極電位高達1.229V，遠高于以二電子途徑進行時產(chǎn)生的陰極電位，有利于提高燃料電池的輸出電壓。而且熱力學(xué)上氧還原可逆性差，動力學(xué)上氧還原反應(yīng)速度很慢，所以陰極催化劑的的氧還原反應(yīng)具有很高的過電勢，由此會降低燃料電池的輸出電壓和能量效率。所以理想的陰極催化劑應(yīng)該盡可能降低氧還原反應(yīng)的過電勢以及盡可能使反應(yīng)沿著直接四電子途徑進行，參見Ifan E.L.Stephens.et al.Energy Environ.Sci.,2012,5,6744–6762.Xuejun Zhou,Jinli Qiao,Lin Yang,Jiujun Zhang.Adv.EnergyMater.2014,4,1301523。

目前高效的氧還原催化劑多是貴金屬鉑及其合金，由于地球上鉑的儲量有限，使其價格非常昂貴，而且鉑催化劑的氧還原反應(yīng)的催化穩(wěn)定性較差，這些極大地限制了燃料電池技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，雖然很多科研人員研制出很多非貴金屬氧還原催化劑，但是其催化性能與商用鉑碳催化劑相差甚遠，遠不能達到燃料電池的高效要求，所以開發(fā)出既高效又穩(wěn)定的具有低廉價格的非鉑催化劑成為燃料電池發(fā)展的研究重點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的，是針對現(xiàn)有燃料電池陰極氧還原催化劑材料多集中在價格昂貴且催化穩(wěn)定性較差的貴金屬鉑，從而影響燃料電池技術(shù)推廣應(yīng)用的問題。利用納秒激光液相燒蝕技術(shù)燒蝕水中的銀銅合金靶得到銀與氧化亞銅相互摻雜的復(fù)合納米顆粒，利用氧化亞銅優(yōu)異的奪氧能力以及銀的優(yōu)異的氧還原催化能力，二者相互協(xié)同達到超越商用鉑碳催化劑的優(yōu)秀的氧還原催化性能。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。