[發明專利]一種鎂水電池陰極及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201811490013.6
• 申請日: 2018-12-06
• 公開（公告）號: CN111293303B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 王二東;王雪亮;劉乾鋒;孫公權
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/06;H01M4/08;H01M6/34
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

一種鎂水電池陰極的制備方法，陰極包括析氫催化劑、金屬顆粒以及金屬載體，載體為泡沫銅、銅網、泡沫鎳、鎳網、鈦網中的一種。所述的析氫催化劑為金屬鉑納米顆粒，金屬顆粒為錫、銅、銀中的一種或兩種以上，金屬顆粒通過化學沉積的方法負載在泡沫銅、銅網、泡沫鎳、鎳網、鈦網中的一種，催化劑沉積在未覆蓋金屬顆粒的載體上。與現有的鎂水電池陰極相比，本發明具有制備時間短、使用方便、性能穩定等特點。本發明所述應用于鎂水電池的陰極，解決了傳統陰極制備方法耗時長、價格昂貴、性能不穩定等問題。

技術領域

本發明屬于化學電源技術領域，具體涉及一種作為氫析反應的陰極。

技術背景

海洋擁有著豐富的礦物資源、生物資源，是人類主要開發和利用的資源之一，隨著建設海洋強國目標的提出，海洋戰略地位空前提高。由于開發海洋、利用海洋、保護海洋、管控海洋方面都需要一些設備進行信息采集、導航定位、監控預警等工作，而這些設備，尤其是深海檢測設備需要長期進行，所以需為其提供長期穩定的電能。目前，由于海洋實際工況的限制，為設備長期穩定供電成為制約深海探測技術的技術瓶頸之一。

鎂水電池是一種包括鎂合金陽極、析氫反應催化劑陰極，以海水為電解質，鎂合金作為燃料的電池。結構上，鎂水電池最大的優勢在于電解液不必隨電池攜帶，放入海水中即可進行反應而放電。此外，鎂水電池還有如下優勢：(1)由于流動的海水作為電解液，避免了反應產物在陰極附近的大量富集，因此可以減輕產物對陰極造成的極化；(2)流動的海水也可帶走電池內部的熱量，有效的降低由于溫度過高對于陰極反應的影響(3)結構簡單、材料廉價、性價比高、質量輕、單位能量密度高、安全性高；(4)通過流道的設計，可以有效的控制由于陰極析氫反應產生的氫氣，從而有效的控制電池的浮力。綜上所述，鎂水電池更適合用于水下設備的供電。

析氫反應陰極是鎂水電池的關鍵部件之一，其基底材料、催化劑的催化活性直接影響著電池的放電性能。目前催化劑在中性環境中活性最高的仍為金屬鉑。但由于儲量低、價格高，鉑催化劑大規模使用受到一定的限制。降低催化劑中鉑載量可有效降低電極成本，是解決這一問題的關鍵。一般的Pt/C催化劑可以有效的降低Pt載量，但是由于粘結劑導電性較差，導致催化活性受到一定的影響。在載體上電沉積一層金屬顆粒，也是一種有效降低鉑載量的方法，但由于工藝較為復雜，因此受到一定的限制。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，發明了一種簡單快速的方法，制備出催化活性高、鉑載量低的鎂水析氫陰極。

本發明采用以下技術方案來實現：本發明一方面提供一種鎂水電池陰極，所述陰極包括基底和負載在基底上的金屬顆粒以及催化劑；所述基底為泡沫銅、銅網、泡沫鎳、鎳網、鈦網中的一種；所述的金屬顆粒為錫、銅、銀的一種或兩種以上；所述催化劑為鉑納米粒子。

基于以上技術方案，優選的，所述的金屬顆粒的直徑為0.5-2um；所述的鉑納米粒子的直徑為10-60nm。

基于以上技術方案，優選的，所述催化劑中，鉑載量為1-20ug/cm²，催化劑沉積在未覆蓋金屬顆粒的載體上：所述陰極催化劑的鉑納米粒子被金屬顆粒隔開。

基于以上技術方案，優選的，所述基底為泡沫鎳，所述泡沫鎳厚度為0.5-2.0mm，面密度為100-300g/m²。

本發明另一方面提供一種上述鎂水電池陰極的制備方法，首先將基底置于含有金屬顆粒前驅體的溶液中進行化學沉積，使得金屬顆粒以陣列方式均勻的沉積在基底表面，然后將負載有金屬顆粒的基體浸漬于含有鉑鹽的溶液中再一次進行化學沉積反應，金屬鉑顆粒更趨于沉積在基底上，從而實現金屬鉑顆粒被之前沉積在基底上的金屬顆粒隔開，最終實現負載鉑顆粒的陰極。所述方法具體包括以下步驟：

(1)金屬顆粒的制備：將基體置于含金屬顆粒前驅體的溶液中進行化學沉積反應得到負載金屬顆粒的基體；所述含金屬顆粒前驅體的溶液pH為中性，濃度為100～500mg/L；所述化學沉積反應的溫度為30℃-70℃，反應時間為1-4h