[发明专利]一种具有表面纳微米结构的电极材料、其制备方法和包含该材料的水合肼燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于无机先进纳米材料技术领域。

背景技术

在各种便携式液体燃料电池中，水合肼燃料电池由于其高的工作电压(理论电压为1.61V)所带来的高能量密度和高功率密度而备受关注[Appl.Catal.B-Environ,2010,98,1；Angew.Chem.Int.Ed.,2007,46,8024]。影响该种燃料电池性能的关键因素有两个，其一是电极材料的活性；其二是气体产物在电极表面的粘附情况，这是因为在电催化过程中，产生的气体产物(氮气)会严重滞留在电极表面上，这会影响电极的真实活性面积，导致燃料不能顺利到达材料表面，使得燃料电池的性能下降。所以，如何降低气体产物在电极表面的粘附是提高水合肼燃料电池性能的一个关键问题。

为了解决上述问题，提出本发明。

发明概述

本发明的目的在于制备一种具有表面纳微米结构的电极材料，使其对于气体具有低粘附和界面超疏气性质，解决一般水合肼燃料电池氧化电极表面气体产物粘附的问题。

第一方面，本发明涉及一种具有表面纳微米结构的电极材料，其包括：

导电基底；和

在所述导电基底上垂直于该基底生长的铜纳微米片阵列或铜镍合金纳微米片阵列。

第二方面，本发明涉及一种具有表面纳微米结构的电极材料的制备方法，其包括以下步骤：

a.配制电镀液，制备铜纳微米片阵列时电镀液含有硫酸铜、硫酸镍、次磷酸钠、柠檬酸三钠、硼酸和聚乙二醇，将所述电镀液的pH调节至中性或碱性；制备铜镍合金纳微米片阵列时电镀液含有硫酸镍、硫酸铜、硼酸。b.将导电基底作为工作电极、惰性电极作为对电极插入在步骤a配制的电镀液中进行电沉积；取出电沉积后的导电基底，洗涤并干燥，得到所述具有表面纳微米结构的电极材料。

第三方面，本发明涉及一种水合肼燃料电池，其负极材料包含本发明第一方面提到的具有表面纳微米结构的电极材料。

附图说明

图1是在本发明实施例1中制备的材料的扫描电镜(SEM)照片图。其中清楚地显示出，铜纳微米片阵列垂直于基底表面生长；其中基底为铜片。

图2是在本发明实施例1中制备的材料在水下于单个气泡的粘附力测试图。其表示的是气泡在水中位置固定不动，样品在水中先靠近气泡、再远离气泡的过程。从远离气泡的曲线可以看出，气泡与本发明的材料之间的粘附力弱。

图3是铜片在水下于单个气泡的粘附力测试图。从远离气泡的曲线可以看出，气泡与铜片之间的粘附力强。

图4是在本发明实施例1中制备的材料进行水合肼氧化反应时的气泡逸出照片图。从图中可以看出，气泡体积小且密集，说明气泡及时地从材料表面逸出，该材料对于气体具有低粘附和界面超疏气性质。

图5是铜片在进行水合肼氧化反应时的气泡逸出照片图。从图中可以看出，气泡体积大且疏松，说明气泡不能及时地从铜片表面逸出，而是随着气体的产生体积不断增大，说明该材料表面与气体之间的粘附力较强，不具有界面疏气性质。

图6是在本发明实施例1中制备的材料的X射线光电子能谱图(XPS)。通过其2p轨道电子的结合能数据与标准谱图数据对比可以辨别出本发明的材料上的微米片为纯铜单质而没有镍元素。

图7是本发明实施例1中制备的材料和铜片在水合肼的碱性溶液中各自的氧化极化曲线，以甘汞电极为参比电极测得。由图中可以看出，本发明的材料达到起峰电压后电流密度迅速增大，表示水合肼被大量氧化，证明本发明的材料作为电极材料性能优良。其中“铜纳微米片阵列-铜片”表示本发明实施例1中制备的电极材料，其中导电基底为铜片。

图8是在本发明实施例2中制备的材料的扫描电镜(SEM)照片图。其中清楚地显示出，铜纳微米片阵列垂直于基底表面生长；其中基底为泡沫铜基底。

图9是负极材料分别为本发明实施例2中制备的电极材料、泡沫铜和铂碳催化剂薄膜，正极材料均为铂碳催化剂薄膜构成的不同水合肼燃料电池的性能对比图。其中负极电解液为含有水合肼的NaOH溶液，质子交换膜为Nafion115型质子交换膜。图中“A/B”表示的含义为负极材料为A、正极材料为B构成的电池；“铜纳微米片阵列-泡沫铜”表示本发明的电极材料，其中导电基底为泡沫铜基底。

图10中图10.a是在本发明实施例1中制备的材料在水下的气泡接触角示意图，图10.b是铜片在水下的气泡接触角示意图。从其中气泡与材料的接触状态可以看出，气泡与本发明实施例1中制备的材料之间的粘附作用明显小于气泡与铜片之间的粘附作用，证明本发明的材料具备超疏气性质。