[发明专利]一种新型直接硼氢化钠燃料电池阴极工业生产技术

说明书

技术领域

本技术涉及电极制备领域，特别涉及直接硼氢化钠燃料电池阴极制备领域。

背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料中的化学能转化为电能的发电技术，由于其具有能量转换效率高、低排放、无污染和无噪音等优点，被认为是继火力、水力、核能之外的第四种发电方法。开发非贵金属催化剂一直是降低燃料电池成本，推动燃料电池技术实用化的关键问题之一[Michel Lefèvre, Eric Proietti, Frédéric Jaouen, et al., Science, 2009, 324:71-74]。

石墨烯是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体材料，它具有独特的物理化学性质，如高理论比表面积（约2630 m² g^-1）、高化学稳定性、高电导率（106S cm^-1）和易功能化等[Dongsheng Geng , Songlan Yang, Yong Zhang, et al., Applied Surface Science, 2011, 257:9193– 9198]，具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。最近氮掺杂石墨烯的合成及其电化学特性的研究受到广泛关注[Dongsheng Geng, Songlan Yang, Yong Zhang, et al., Applied Surface Science, 2011, 257:9193–9198; Yuyan Shao, Sheng Zhang, Mark H, et al., Journal of Materials Chemistry, 2010, 20:7491–7496; Liangti Qu, Yong Liu, Jong-Beom Baek, et al., Nano, 2010, 4:1321–1326]。研究表明，氮掺杂石墨烯后可以有效提高石墨烯的电导率和耐腐蚀性[Dongsheng Geng, Songlan Yang, Yong Zhang, et al., Applied Surface Science, 2011, 257:9193– 9198]；而Shao等人研究表明，由于氮功能团和表面结构缺陷的引入，氮掺杂石墨烯对氧气和双氧水还原反应的催化活性明显高于纯石墨烯[Yuyan Shao, Sheng Zhang, Mark H, et al., Journal of Materials Chemistry, 2010, 20:7491–7496]。由此可见，氮掺杂石墨烯是一种非常有潜力应用到燃料电池非贵金属阴极催化剂的新型材料。石墨烯的物理化学性能与石墨烯的层数密切相关，理论上而言单原子层的石墨烯具有最佳的物理化学性能。研究发现在金属镍表面容易生长多层石墨烯，且在生长过程中难以通过控制反应组元、温度等参数简单调控石墨烯的层数。

另一方面，自从燃料电池技术发展以来，低温燃料电池中最常用的两种燃料电池膜电极的制备方法仍是：1）将催化剂层应用于气体扩散层，而后增加膜；2）将催化剂层应用于膜，而后增加气体扩散层[马欣、王胜开，陈国顺等译，燃料电池设计与制造，电子工业出版社，2008年]。以上两种方法的催化剂层的制备中都添加憎水材料（聚四氟乙烯）来实现三相反应界面，然而憎水材料添加量的变化直接影响到催化剂层的催化反应速率和燃料电池的发电效率，在一定程度上影响了电池实际使用性能。同时憎水处理过程增加了电池电极制备流程，提高了电池生产成本。为了同时解决电极憎水处理和开发新型高催化活性的阴极，本发明提供了一种新型高催化活性的阴极的规模化工业生产技术。

发明内容