[發明專利]一種高催化活性TiN/Pt復合膜電極及其制備方法

在審

• 申請號: 202110490266.9
• 申請日: 2021-05-06
• 公開（公告）號: CN113363518A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 張旭海;柴聘聘;梁佳浩;邊堅勇;白雪冰;蔡群;謝文浩;毛宇軒;王曉陽;曾宇喬
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88;H01M4/86;C23C14/35;C23C14/18;C23C14/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張華蒙

本發明的公開了一種高催化活性TiN/Pt復合膜電極及其制備方法，屬于能源材料制備技術領域，其中包括：1)通過磁控濺射技術獲得TiN膜，其中Ti含量的范圍在50?70at％，N元素含量為30?50at％。2)通過磁控濺射技術獲得TiN膜后，再沉積負載量為0.3?3ug/cm²，顆粒大小為2?100nm的Pt膜。針對濕法化學工藝中存在的工藝復雜、成本高、環保性差問題，以及粉體催化劑不易牢固裝配，氮化鈦粉體和Pt協同催化有待提高等問題，本發明采用磁控濺射技術制備TiN/Pt復合膜，原材料采用純金屬，制備方法簡單易行，易規模化，無廢水及廢棄排放，環保性好；膜材料直接附于基體，不需額外粘連。該發明有很好的工業化推廣前景，可在燃料電池等鄰域有廣泛應用。

技術領域

本發明屬于能源材料制備技術領域，具體涉及一種高催化活性TiN/Pt復合膜電極及其制備方法。

背景技術

Pt具有優異的電催化性能在燃料電池等領域有廣泛的應用，目前工業界主要采用納米Pt顆粒和碳黑粉體材料復合的方式獲得催化電極材料。然而，在高氯酸溶液的工況條件下，炭黑存在逐漸溶解的現象，該現象導致Pt顆粒從電極表面不斷脫附，從而導致電極性能不斷下降。氮化鈦具有良好的導電性，相對于碳材料，其穩定性更好。為此，不少研究者采用濕法化學工藝獲得氧化鈦粉體，在高溫下氨氣還原氧化鈦粉體獲得氮化鈦，再利用濕法化學工藝負載Pt顆粒獲得催化材料。

雖然氮化鈦粉體/Pt顆粒復合材料制備工藝和性能獲得了大量研究，但是這種方法存在的問題包括：濕法化學工藝復雜，需采用大量化學試劑，環保性差；粉體的使用需要特定的粘接劑固定，會降低粉體利用率，增加工藝流程；氮化鈦粉體成分單一，沒有充分考慮Ti/N比例對Pt顆粒催化性能的影響。

發明內容

發明的目：本發明的目的是提供一種高催化活性TiN/Pt復合膜電極；本發明另一目的是提供其制備方法，以Ti為基底，沉積特定Ti/N比例的TiN膜后再沉積Pt膜。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種高催化活性TiN/Pt復合膜電極，該復合膜電極為TiN/Pt復合膜，該TiN/Pt復合膜的甲醇催化電位為0.61-0.633V，比活性為17-24m²/g，催化穩定性指標I_f/I_b為0.75-1.15。

進一步地，所述的一種高催化活性TiN/Pt復合膜電極的制備方法，包括如下步驟：

1)采用磁控濺射方法，在鈦基板表面沉積不同Ti/N比例的TiN膜；

2)將步驟1)處理得到的鈦基板放入濺射腔體后，本地真空抽到6×10^-4Pa；通過調控氮氣和氬氣比例和靶功率，實現TiN膜的Ti/N比例調控；

3)在濺射腔體內制備TiN膜后，直接在TiN膜表面沉積Pt膜，即得。

進一步地，所述的步驟2)中，磁控濺射方法中，抽真空條件下，烘烤腔體至500℃，時間10-120分鐘。

進一步地，所述的步驟2)中，濺射腔體中，以高純Ti為靶材，純度在99.99-99.999％。

進一步地，所述的步驟2)中，濺射腔體通入氬氣和氮氣混合氣體，總氣壓為0.1-2Pa，其中氮分壓為0.005-1Pa，氬氣分壓為0.095-1.995Pa。

進一步地，所述的步驟2)中，濺射腔體中，濺射功率密度0.2-10W/cm²，偏壓為0至-300V，TiN膜厚度在10–300nm。

進一步地，所述的步驟2)中，所述的TiN膜的Ti/N比例調控，具體為：TiN膜中，Ti含量的范圍控制在50-70at％，N元素含量控制在30-50at％。