[發明專利]一種利用石墨烯黑磷烯異質結作為電極的氫燃料電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201810020140.3
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN108336382B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 雷雙瑛;孫小龍;陳潔
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/1007
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 景鵬飛

1.一種利用石墨烯黑磷烯異質結作為電極的氫燃料電池，所述的氫燃料電池包括陽極和陰極，其特征在于，陽極和陰極之間通過質子交換膜相連接，所述的陽極包括上電極，陽極石墨烯層和陽極黑磷烯催化劑層，所述的陰極包括下電極、陰極石墨烯層和陰極黑磷烯催化劑層，陽極黑磷烯催化劑層和陰極黑磷烯催化劑層對稱安裝在質子交換膜的上、下兩側，上電極通過陽極石墨烯層連接在陽極黑磷烯催化劑層上，下電極通過陰極石墨烯層連接在陰極黑磷烯催化劑層上；

所述的石墨烯黑磷烯異質結為黑磷烯層與石墨烯的之間形成的一種堆垛結構，陽極和陰極中石墨烯層與黑磷烯催化劑層的連接間距均為3.612?；所述的陽極石墨烯層中石墨烯的層間距離為5?，所述的陽極黑磷烯催化劑層中黑磷烯的層間距離為15?。

2.如權利要求1所述的利用石墨烯黑磷烯異質結作為電極的氫燃料電池，其特征在于，所述的陽極黑磷烯催化劑層中的催化劑為Pt，所述陰極黑磷烯催化劑層中的催化劑為Pt與Pb的合金。

3.一種如權利要求1所述的利用石墨烯黑磷烯異質結作為電極的氫燃料電池的制備方法，其特征在于，所述的制備方法包括如下步驟：

1）將白磷在1000-1200Pa的氣壓下加熱到200-250℃，進行處理得到黑磷烯；

2）采用機械剝離法得到一定層數的黑磷烯，在黑磷烯表面，采用化學氣相淀積一定層數的石墨烯，制得石墨烯黑磷烯異質結；

3）在石墨烯黑磷烯異質結中石墨烯上表面蒸發形成欽鉑金金屬層；

4）用光學光刻法在欽鉑金金屬層上形成燃料電池的上電極金屬，蒸發20nmTi，20nmPt，150nmAu；

5）重復步驟2）—4）制備下電極；

6）用光學光刻和電子束蒸發法，制作形成金屬接線柱。

4.如權利要求3所述的利用石墨烯黑磷烯異質結作為電極的氫燃料電池的制備方法，其特征在于，所述石墨烯黑磷烯異質結的制備方法如下：

（1）將白磷在1000-1200Pa的氣壓下加熱到200-250℃，得到片狀黑磷；通過機械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯；再通過離子體剝離方法剝離得到層狀黑磷烯；

（2）從層狀的黑磷烯中獲取黑磷塊體，將黑磷塊體浸入過氧化氫異丙苯CHP的溶劑中，再加超聲波超聲10-15分鐘；使用離心機使其分離得到層狀物；

（3）采用Si基板從溶液中撈出黑磷烯薄膜，放在50-60℃的加熱臺上烘干，去除黑磷烯薄膜與Si基板之間的水分，同時將少層黑磷烯更牢固的與Si基板結合；

（4）得到黑磷烯Si基板上含有多層黑磷烯結構，在電子顯微鏡下，通過探針剝離的方法，剝離掉多余的黑磷烯得到適當層數的黑磷烯；

（5）將步驟（4）中得到的黑磷烯Si基板放入爐中，持續通入保護氣體加熱至1000℃，保溫反應20min后停止通入保護氣體，通入碳源氣體進行反應30min；反應完成后，關閉碳源氣體，通入保護氣體排凈碳源氣體，在保護氣體的環境下冷卻到室溫，取出Si基板，得到Si基板上的黑磷烯石墨烯異質結；將Si基板上的黑磷烯石墨烯異質結剝離下來。

5.如權利要求4所述的利用石墨烯黑磷烯異質結作為電極的氫燃料電池的制備方法，其特征在于，所述的碳源氣體為甲烷。

6.如權利要求4所述的利用石墨烯黑磷烯異質結作為電極的氫燃料電池的制備方法，其特征在于，所述的保護氣體為氫氣和氬氣或者氫氣和氮氣。