[发明专利]一种新型有序化膜电极及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种有序化膜电极，其特征在于：

包括复合电解质膜和基于复合电解质膜的有序化催化层；复合电解质膜由全氟磺酸类质子交换膜或碳氢类质子交换膜，和与其一侧或两侧紧密贴合的由Pd金属或Pd-Cu合金或Pd-Ag合金或Pd-Ni合金或Pd-Ag-Ni合金构成的完整、光滑的金属层组成；有序化催化层为微观上阵列排布的聚噻吩或聚噻吩衍生物或聚吡咯或聚吡咯衍生物或聚苯胺或聚苯胺衍生物中一种的纳米线、附着于纳米线上的Nafion及与Nafion相连的Pt-PDDA纳米粒子；有序化催化层附着于金属层表面，且微观上具有垂直于膜表面方向上的取向有序的纳米线阵列结构。

2.如权利要求1所述复合膜，其特征在于：

所述全氟磺酸类质子交换膜为商品Nafion膜或再铸Nafion膜；碳氢烃类质子交换膜为磺化聚芳醚酮、酸掺杂的聚苯并咪唑、磺化聚芳醚砜、或磺化聚酰亚胺。

3.一种权利要求1所述有序化膜电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

1）复合电解质膜的制备：

在全氟磺酸类质子交换膜或碳氢类质子交换膜的一侧或两侧的表面上化学镀Pd金属、或溅射Pd-Ag、Pd-Cu、Pd-Ni、Pd-Ag-Ni合金，得到复合电解质膜；

2）有序化膜电极的制备：

a.表面修饰Nafion的有序化纳米线阵列结构的制备

采用电沉积的方法在复合电解质膜的金属层表面电沉积导电聚合物聚噻吩或聚噻吩衍生物或聚吡咯或聚吡咯衍生物或聚苯胺或聚苯胺衍生物中的一种，得到微观上垂直于膜表面方向上的取向有序的导电聚合物纳米线阵列结构；

将上述样品干燥后固定于50-90℃热台上，将浓度为0.05-0.5%的Nafion稀释液反复多次喷涂至样品表面，至样品表面的Nafion载量为0.05-0.5mg·cm-2；

b.Pt-PDDA（邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯）的制备

于反应器中依次加入体积比为1:1-1:10分子量小于二十万的20-50%的PDDA水溶液和浓度为5-20mg·ml-1的氯铂酸水溶液，搅拌均匀后依次加入2-5倍氯铂酸水溶液体积的乙醇和水，再次搅拌均匀后加入NaOH水溶液至混合液的pH值为9-12，将混合液加热至80-90℃，反应1-24小时后得胶体溶液；

c．催化层的自组装制备

将上述将步骤2)b所得胶体溶液涂覆于步骤2)a所得样品表面，室温干燥后将其依次先后置于0.1-1M硫酸溶液和去离子水中于60-90℃条件下处理0.5-10小时，得有序化膜电极。

4.一种如权利要求1所述有序化膜电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

1）复合电解质膜的制备：

在全氟磺酸类质子交换膜或碳氢类质子交换膜的一侧或两侧的表面上化学镀Pd金属、或溅射Pd-Ag、Pd-Cu、Pd-Ni、Pd-Ag-Ni合金，得到复合电解质膜；

2）有序化膜电极的制备：

a.Nafion掺杂的有序化纳米线阵列结构的制备

采用电沉积的方法在复合电解质膜的金属层表面电沉积导电聚合物聚噻吩或聚噻吩衍生物或聚吡咯或聚吡咯衍生物或聚苯胺或聚苯胺衍生物中的一种，电沉积时于电解质溶液中加入Nafion溶液，得到微观上垂直于膜表面方向上的取向有序的掺杂有Nafion的导电聚合物纳米线阵列结构；

b.Pt-PDDA（邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯）的制备

于反应器中依次加入体积比为1:1-1:10分子量小于二十万的20-50%的PDDA水溶液和浓度为5-20mg·ml-1的氯铂酸水溶液，搅拌均匀后依次加入2-5倍氯铂酸水溶液体积的乙醇和水，再次搅拌均匀后加入NaOH水溶液至混合液的pH值为9-12，将混合液加热至80-90℃，反应1-24小时后得胶体溶液；

c．催化层的自组装制备

将上述将步骤2)b所得胶体溶液涂覆于步骤2)a所得样品表面，室温干燥后将其依次先后置于0.1-1M硫酸溶液和去离子水中于60-90℃条件下处理0.5-10小时，得有序化膜电极。

5.如权利要求3所述有序化膜电极的制备方法，其特征在于：

所述步骤2)a中电沉积方法具体为：将步骤1)所得复合电解质膜浸渍于含有噻吩或吡咯或苯胺或噻吩衍生物或吡咯衍生物或苯胺衍生物溶液中，同时含有支持电解质的电解液中，将复合电解质膜中的金属层作为阳极，采用三电极体系进行电沉积。