[發明專利]一種石墨復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202011235058.6
• 申請日: 2020-11-08
• 公開（公告）號: CN112397730B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 趙偉
• 申請（專利權）人: 上海弘楓實業有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京中知音諾知識產權代理事務所(普通合伙) 13138
• 代理人: 尹彥飛

本發明公開了一種Pt/垂直取向石墨柱復合材料的制備方法。本發明通過以陽極氧化鋁為模板，以瀝青樹脂聚合物為填充劑獲得垂直取向的石墨柱，并以此為載體，通過等離子濺射Pt納米顆粒于垂直取向的石墨柱表面，所述一種垂直取向石墨柱復合材料具有優良的甲醇氧化能力和抗污染能力。

技術領域

本發明屬于納米復合材料技術領域，涉及使用電化學陽極氧化的方法制備納米碳復合材領域。

背景技術

?20世紀80年代，隨著全氟磺酸膜(如杜邦公司的Nafion等)被應用于燃料電池領域，質子交換膜燃料電池的性能得到了大幅提升并逐漸占據了市場的主導地位。質子交換膜燃料電池常常采用氫氣作為燃料，然而由于氫氣的存儲和運輸十分不便，在很大程度上限制了該類燃料電池的應用。

到了20世紀90年代，美國國家航空航天局的噴氣推進實驗室與南加州大學的研究人員提出采用液體甲醇取代氫氣來設計一種新型的燃料電池裝置，即直接甲醇燃料電池。具體而言，相比于其它類型的燃料電池，直接甲醇燃料電池有以下幾個特點：

（1）甲醇來源豐富且成本低廉；

（2）甲醇的存儲及運輸十分方便；

（3）甲醇的能量密度較高；

（4）能量轉換效率高；

（5）操作溫度范圍較寬；

（6）污染排放少，噪音低。

直接甲醇燃料電池的工作原理從本質上而言是一個氧化還原反應。甲醇氧化半反應發生在陽極區，而氧氣還原半反應則發生在陰極區，在陽極發生CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-，在陰極發生3/20₂+6H⁺+6e^-→3H2O，總反應CH₃OH+3/2O₂→CO₂+2H₂O。

已有大量研究證實了鉑/石墨烯復合材料在催化甲醇氧化反應上具有巨大的潛力（專利CN102658201A，專利CN102380371A，專利CN101740786A，專利CN103007926?A）。在目前大部分鉑/石墨烯制備工藝中，石墨烯載體主要是通過基于Hummer’s?method的化學法實現的，存在的主要問題是在干燥和分散過程中極易造成多層石墨烯的團聚，進而嚴重降低其實際比表面積及作為催化劑載體的性能。針對這個問題，Si等人提出采用在多層石墨烯之間嵌入納米顆粒作為間隔物，從而避免其團聚（Si?Y.,?Samulski?E.?T.,?Chemistry?ofMaterials?2008,?vol.?20,?6792）。類似地，Seger等人通過兩步還原，即首先用較弱的還原劑得到部分還原的氧化石墨烯和鉑納米顆粒，然后再用較強的還原劑進行第二次還原，最終實現以鉑納米顆粒為間隔物的不團聚石墨烯結構（Seger?B.,?Kamat?P.?V.,?Journalof?Physical?Chemistry?C.?2009,?vol.?113,?7990）。上述方法證實了不團聚的石墨烯可以作為優異的載體實現納米材料的催化性能，但是工藝過程相對復雜，目前還處于實驗室研究階段。

但是，鉑基催化劑的抗中毒能力較弱，穩定性較差。在甲醇催化氧化的過程中，甲醇分子會首先吸附在金屬鉑的表面然后分解生成中間產物(主要為CO)，這些中間產物會使得催化劑發生中毒作用，從而導致催化活性下降，影響電化學穩定性。為了提高直接甲醇燃料電池的循環壽命，增強鉑基催化劑的抗中毒能力和穩定性是pR待解決的問題。

基于以上分析，可以看出開發新型高效的直接甲醇燃料電池陽極催化劑是應對上述問題的一條極為重要的途徑。具體而言，提高金屬鉑催化性能的關鍵點在于探索更為科學有效的制備方法將鉑納米顆粒負載在更為先進的催化劑載體上。結合甲醇氧化的反應特點，優秀的催化劑載體應該符合以下幾個特征。