[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

本發明公開了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，包括陽極和陰極，陽極和陰極之間通過質子交換膜相連接，陽極包括上電極，陽極石墨烯層和陽極黑磷烯催化劑層，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；本發明采用石墨烯黑磷烯異質結作為氫燃料電池的陰/陽極主體，能提高燃料電池第一步和第三步的效率，同時選取的二維材料石墨烯黑磷烯，把氫燃料電池做得很薄；降低制造成本。

技術領域

本發明涉及新能源技術領域，尤其涉及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。

背景技術

20世紀60年代，氫燃料電池就已經成功地應用于航天領域。往返于太空和地球之間的阿波羅飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。進入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進的制氫技術，很快，氫燃料電池就被運用于發電和汽車。大型電站，無論是水電、火電或核電，都是把發出的電送往電網，由電網輸送給用戶。但由于各用電戶的負荷不同，電網有時呈現為高峰，有時則呈現為低谷，這就會導致停電或電壓不穩。另外，傳統的火力發電站的燃燒能量大約有70％要消耗在鍋爐和汽輪發電機這些龐大的設備上，燃燒時還會消耗大量的能源和排放大量的有害物質。而使用氫燃料電池發電，是將燃料的化學能直接轉換為電能，不需要進行燃燒，能量轉換率可達60％～80％，而且污染少、噪音小，裝置可大可小，非常靈活。

具有原子層厚度的2D材料由于其不同于體材料的優越性質而受到人們的廣泛研究，如石墨烯，MoS₂等等。近年來，又一種新的2D材料少層黑磷烯已經能在實驗條件下通過機械剝離的方法制備得到并且受到了人們的廣泛關注。黑磷是一種具有金屬光澤的晶體，可由白磷或紅磷轉化而來，體黑磷具有直接半導體帶隙，且表現出與層數相關的特性，少層黑磷烯的電子遷移率為1000cm²/Vs，還具有非常高的漏電流調制率，使得其在未來的納米電子器件中的應用有很大潛力。另外因其為直接帶隙，其光學性質相比其他材料也有很大的優勢，是目前新型二維材料研究的熱點之一。

目前的燃料電池大部分是氫燃料電池，電池的體積大，并且燃燒效率低。通過分析得知效率低主要是燃料電池的陰陽兩極的化學反應速率太慢。體積大主要是因為陰陽兩極的厚度太大。二維材料的出現為燃料電池提供了新的思路，石墨烯具有高的電子遷移率，黑磷烯具有大的表面體積比。二者的優異特點結合構成的燃料電池的陰陽兩極可以提供較高的反應速率。并且二維材料是單層結構可以根據電池的性能來選擇所需材料的層數，以至于電池的陰陽兩極做的很薄，最終使得電池的整體體積達到最小化。

發明內容

針對上述存在的問題，本發明目的在于提供一種降低制備成本，提高氫燃料電池的效率的使用二維材料石墨烯黑磷烯的異質結作為氫燃料電池的陰極和陽極制備質子交換膜氫燃料電池及其制備方法。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：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，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。

本發明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

本發明所述的陽極石墨烯層中石墨烯的層間距離為所述的陽極黑磷烯催化劑層中黑磷烯的層間距離為

本發明所述的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。