[发明专利]一种纳米多孔金用于燃料电池薄层电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米多孔金用于燃料电池薄层电极的制备方法，属于燃料电 池领域。

背景技术

燃料电池是一种高效的能量转换装置，可有效将存储于化学物质中的化学能 转化为电能。目前，燃料电池已在电动汽车、分布式电站、航空等多个领域取 得应用。质子交换膜燃料电池以其功率密度高、启动速度快、转换效率高、环 境友好等优点受到广泛的关注。

膜电极组件(MEA)是电化学反应装置的核心部件，它由位于质子交换膜两 侧的催化层和扩散层组成。膜电极主要分为气体扩散电极(GasDiffusion Electrode，GDE)、薄层覆膜电极(catalystcoatedmembrane，CCM)和以美国 3M公司的纳米薄层电极(nanostructuredthinfilm，NSTF)为代表的有序化电极 (orderedMEAs)。气体扩散电极采用丝网印刷、静电喷涂等工艺制备，将催化 剂、憎水剂、有机溶剂组成催化剂浆料刷到气体扩散层上，经过高温处理后向 催化层表面喷涂Naifon溶液实现电极立体化；薄层覆膜电极目前则普遍采用喷 涂、转印等制备工艺，将催化剂、离子导体树脂和有机溶剂组成的浆料喷涂到 膜上，或者先将浆料喷涂到其他载体上再转印到膜上，形成膜催化层一体化电 极。传统的CCM电极、GDE电极的制备工艺成熟，但电极的催化层厚度大、 催化剂呈无序堆积，使得催化剂的用量居高不下、催化剂利用率低。基于此， 美国3M公司开发了超薄电极，它具有微观有序、催化剂担载量低等特点，可有 效降低传质阻力并提高催化剂的利用率。

纳米多孔金(NPG，NanoporousGold))薄膜的厚度可在100nm～1μm的范围 内灵活调变，它还具有均一可调变的三维联通孔道、良好的导电性、较大的比 表面积，可用于制备燃料电池薄层电极。

专利WO2004021481-A1介绍了一种将纳米多孔金(NPG，nanoporousgold) 用于质子交换膜燃料电池的方法。首先，采用去合金法制备了纳米多孔金薄膜； 然后，将纳米多孔金转移至Pt的前驱体溶液中，纳米多孔金在溶液的表面张力 的作用下在液面铺展开来，然后向反应器中引入肼蒸汽，Pt的前驱体在纳米多 孔金的内表面上还原，最终形成发3nm左右的Pt层。发明人采用一种转轮装置 将修饰有Pt层的纳米多孔金转移至Nafion膜上，将Nafion膜在140℃下热处理 2min。采用这种纳米材料组装的电池功率在140mWcm^-2左右。

专利CN101332425-A介绍了一种在纳米多孔金的内表面均匀覆盖铂系金属 原子层的方法。所采用的方法的原理是欠电位沉积。具体方法如下：1)用硝酸 对市售金箔进行去合金化处理，得到纳米多孔金；2)以多孔金为工作电极、石 墨片为对电极、SCE为参比电极，在充分除氧的含有0.01～100mM铜、银或者 铅离子的酸性溶液中欠电势沉积铜、银或者铅，沉积的电势范围(-0.5V，-0.3V) vs.SCE，沉积时间1～10min；3)将工作电极浸入0.01～100mM的铂系金属阳离 子溶液中置换5～30min。该专利所制备的催化剂主要用于有机小分子的直接电氧 化。

专利WO2012102712-A1和WO2012102714-A1介绍了一种纳米多孔金表面 修饰Pt及MEA的组装方法。纳米多孔金表面修饰Pt的方法是浸渍-电化学还原 法。具体方法是：1)去合金法制备纳米多孔金；2)将纳米多孔金浸渍于氯铂 酸或者氯铂酸盐溶液中；3)用去离子水浸洗吸附有前驱体的纳米多孔金，以控 制铂层的厚度；3)采用三电极体系，纳米多孔金作为工作电极，0.5MH₂SO₄作为电解液；采用恒电势法或者循环伏安电沉积法在纳米多孔金表面沉积铂层； 4)重复2)、3)以控制铂层厚度。MEA的制备：将修饰有Pt的纳米多孔金作 为阳极，Nafion膜作为固体电解质(阴极未具体说明是哪种材料)热压制备了 MEA。这种MEA应用于直接甲酸燃料电池，最大功率密度为100mWcm^-2，但 是上述的制备过程中采用肼作为还原剂，对环境及人体有潜在的危害，

上述专利中普遍将纳米多孔金薄膜作为自支撑的结构，然后对其内表面进行 修饰，但在制备的过程中纳米多孔金薄膜易碎，这增加了纳米多孔金表面修饰 的难度，使得纳米多孔金薄膜这种功能材料在工程应用中受到限制。