[发明专利]燃料电池用致密铂单原子层催化的制备及电极和应用

说明书

本发明提供了一种燃料电池用致密铂单原子层催化电极及其制备方法。首先以金箔(Au/Ag films)为原材料，采用脱合金法得到纳米多孔金薄膜，然后将此薄膜转印于玻碳电极表面或质子交换膜的一侧。以此作为基底采用电化学和化学相结合的方法在混合电解液中沉积铂，形成基于纳米多孔金的致密铂单层催化电极。本发明所采用的方法具有环境友好、一步完成、催化剂担载量可控、单原子层致密等优点。所构建的基于纳米多孔金致密铂单层催化电极可用于燃料电池以及其它电池与电化学反应器。

技术领域

本发明涉及一种用于催化燃料电池电极反应的致密铂单原子层催化电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种洁净、高效的能量转换装置，目前已在电动汽车、分布式电站、航空、潜艇等多个领域取得了应用。其中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了广泛的关注。电极是燃料电池的核心部件，是电化学反应发生的场所。为了实现燃料电池的商业化应用，目前亟待解决的问题之一是在保证活性的前提下降低电极中贵金属铂的用量，从而降低成本。

纳米多孔金(NPG，Nanoporous Gold))薄膜的厚度可在100nm～1μm的范围内调变，此外它还具有三维连续的贯通孔道结构、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。

现有技术主要采用化学还原的方法和电化学沉积的方法制备低铂载量的催化电极。

专利WO2004021481-A1介绍了一种纳米多孔金(NPG，nanoporous gold)负载金属Pt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；然后，将纳米多孔金置于含Pt前驱体的溶液中，使纳米多孔金平铺于液面，然后向反应器中通入肼蒸汽，Pt的前驱体被还原在纳米多孔金的表面上，最终形成NPG负载～3nmPt层的催化电极。

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。该方法原理是欠电位沉积。具体如下：1)用硝酸对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、银或铅离子的酸性溶液中欠电势沉积铜、银或铅，沉积的电势范围(-0.5V，-0.3V)vs.SCE，沉积时间1～10min；3)将工作电极转移到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层的方法。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，0.5M H2SO4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。

化学还原方法是指通过利用适当的还原剂、表面活性剂等在一定的条件下使反应物发生特定的还原反应制备铂层催化电极。如上述专利所述的制备过程中采用肼作为还原剂，这对环境及人体有潜在的危害，并且这种化学还原的方法不便控制Pt层厚度。电化学沉积结合置换反应的方法可以制备出均匀Pt原子层催化电极，但制备过程分多步进行，电极转移过程中单原子层容易氧化。

本发明主要针对解决上述现有技术或制备方法中存在的问题，提供一种基于纳米多孔金的致密铂单原子层催化电极的制备方法，该方法制备过程一步完成、可以实现铂单原子层、Pt层覆盖致密等。

发明内容