[發明專利]一種自支撐膜電極的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202111188335.7
• 申請日: 2021-10-12
• 公開（公告）號: CN114079071B
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發明（設計）人: 張瑋琦;王星辰;蘇華能;徐謙;馬強
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種自支撐膜電極的制備方法及其應用。步驟包括：電極基底層的預處理；親水性電極基底層的制備；以H₂PtCl₆粉末、水、硫酸配制電沉積溶液；自支撐電極和自支撐膜電極的制備；本發明通過電沉積的方式制備自支撐膜電極，簡單且容易操作，沉積均勻，避免了傳統商業催化劑噴涂過程中貴金屬催化劑的損失；同時通過電沉積的方式改變下限電位得到不同形貌的鉑顆粒，有效避免了鉑基催化劑的溶解和奧斯瓦爾德熟化，提高了燃料電池的耐久性；并且還可進一步增強催化劑的氧化還原反應性能。本發明制備的自支撐膜電極用于高溫質子交換膜燃料電池的用途，具備廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種自支撐膜電極的制備方法及其用于高溫質子交換膜燃料電池的用途。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種高效的氫能轉換裝置，能夠將儲存在氫燃料和氧化劑中的化學能通過電化學反應的方式直接轉換為電能，作為一種綠色、高效的能源轉換裝置，被認為是解決能源危機和環境污染問題的重要途徑，近年來受到了廣泛的關注。催化劑是質子交換膜燃料電池(PEMFC)的關鍵材料之一，其作用是降低反應的活化能，促進氫、氧在電極上的氧化還原過程，提高反應速率。質子交換膜燃料電池分為低溫質子交換膜燃料電池(LT-PEMFC)和高溫質子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)。低溫質子交換膜燃料電池通常的反應溫度在60-80℃，產生液態水，容易在電池的陰極發生水淹，嚴重影響了電池的正常運行。高溫質子交換膜燃料電池通常的反應溫度在140-180℃，陰極產生的是水蒸氣，不存在水淹的風險。提高運行溫度被認為是解決目前質子交換膜燃料電池面臨主要問題的理想途徑?；诹姿?H₃PO₄)摻雜聚苯并咪唑(PBI)的高溫質子交換膜燃料電池是目前最成功的體系。然而，高溫膜體系中質子傳導依賴于磷酸電解質，因此一定量的磷酸需合理分布于整個膜和電極中維持高的質子傳導率。但是由于氣體(如O₂)在磷酸中的低溶解度和低擴散速率，以及磷酸在Pt催化劑表面的吸附作用，造成電極中氧還原反應(ORR)效率低下，成本上升。而且在高溫和強酸的條件下，容易引起Pt催化劑老化，導致電池壽命減少。并且傳統商業鉑碳催化劑(Pt/C)使用的噴涂工藝復雜，使用的粘結劑會導致催化劑活性面積減少，影響電池性能，過程中損失量大，鉑催化劑與基底層結合力不強。

發明內容

本發明的目的在于克服傳統的鉑基催化劑電極的缺陷，提供了一種自支撐膜電極的制備方法及其在高溫質子交換膜燃料電池中的應用。本發明的電極使用電沉積的方法在碳紙上沉積具有特殊形貌的鉑顆粒，大幅降低了催化劑中鉑用量，提高了催化劑的利用率，相較于傳統的鉑基催化劑，實現催化性能進一步提升，并且通過電沉積的方式改變下限電位得到不同形貌的鉑顆粒，簡單而且容易操作，避免了噴涂中造成的貴金屬催化劑的損失，不使用粘結劑，能暴露出更多的活性位點，而且沉積均勻，催化劑與碳紙的結合力更強，減少了接觸阻力，是一種具有潛力的燃料電池電極。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的，具體步驟如下：

(1)電極基底層的預處理：將碳紙或碳布作為電極基底層，根據需求進行裁剪，然后浸入丙酮中加熱洗滌，除去表面污垢和官能團，加熱洗滌后在去離子水中進行超聲洗滌，去除表面的丙酮，得到預處理的碳紙或碳布；

(2)制備親水性電極基底層：將硫酸A(H₂SO₄)和硝酸(HNO₃)混合，得到混合酸；然后將步驟(1)中預處理后的碳紙或碳布浸入混合酸中進行第一次超聲，然后取出碳紙或碳布再次浸入去離子水中進行第二次超聲，超聲后用去離子水沖洗數次，最后浸入硫酸B中備用；

(3)配制沉積所用的溶液：取H₂PtCl₆粉末用去離子水稀釋，得到H₂PtCl₆稀釋液；然后在水中加入硫酸(98wt％)，再加入H₂PtCl₆稀釋液，混合均勻，得到電沉積溶液；