[发明专利]一种双功能电极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池和超级电容器制备领域，具体的说涉及一种能在发生电极反应的同时储存电荷的双功能电极。

本发明还涉及上述双功能电极的制备方法。

背景技术

随着民用的可穿戴电子设备、电动汽车和军用的大功率激光武器等的发展，单一电源难以满足需求，可长时间稳定放电和瞬时大电流放电的复合电源将成为发展趋势。目前应用较多的是电池和超级电容器的外部复合，即通过外部电路的控制，使电池和超级电容器可协同工作以满足要求，但是外部复合增加金属导线和模块界面，从而增加电阻，降低性能，同时会增加装置的重量、体积和价格；而电池和超级电容器内部复合(即单一电极可同时进行电化学反应并储存电荷)不存在这些问题，是目前的研究热点。

专利(CN102576613A)中设计了用于车辆推进的燃料电池/超级电容器/电池电力系统，此系统采用外部复合，电路设计较复杂，增加了装置的重量，降低了装置的性能。文献(International Journal of Hydrogen Energy，2010,35,11254-11260)中向直接甲醇燃料电池的电极中加入二氧化钌，利用二氧化钌的电容性能提高电池的动态稳定性，由于二氧化钌的电导较小，电容层中二氧化钌用量较小，存储的电荷较少，不能达到超级电容器的工作要求，故不能作为复合电极使用。

发明内容

本发明的目的在于制备一种双功能电极，此种双功能电极可催化电极反应的同时储存电能，需要时把储存的电能短时间释放出出来，达到瞬间大电流放电的目的。

为实现上述发明内容，本发明采用以下技术方案来实现：

一种双功能电极，包括基底层和基于所述基底层的电容-催化复合层；所述电容-催化复合层中含有电容材料、电催化剂和粘结剂；电容-催化复合层中催 化剂的载量为0.05-5mg/cm²，粘结剂质量占催化剂和粘结剂总质量的5％-50％，电容材料的载量为0.1-50mg/cm²。

所述电容材料为导电聚合物，所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚芴、聚嵌二萘、聚甘菊环、聚萘、聚咔唑、聚吲哚、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)或它们的衍生物或它们之间的共聚物中的一种或两种以上。所述粘结剂为PTFE中的一种；电催化剂为Pt/C、Pt黑、PtRu/C、PtRu黑、PtCo/C中的一种或二种以上。

所述基底层为碳纸或碳布中的一种。

一种所述双功能电极的制备方法，包括(1)电容材料导电聚合物的制备和(2)电容-催化复合层的制备；

所述导电聚合物的制备方法为电化学聚合法或化学聚合法。

所述电化学方法为以添加有掺杂酸的导电聚合物单体溶液为电解质溶液中，以一导电基底为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为工作电极，于一导电基底表面电化学沉积导电聚合物，再将制得的导电聚合物与所述导电基底剥离，得导电聚合物；

所述导电基底组分包括铂、金、铜、银中的一种或两种以上。

所述电化学方法制备导电聚合物过程中，导电聚合物单体溶液中，溶剂水，导电聚合物单体的浓度为0.001-2mol/L；所述掺杂酸为盐酸、硫酸、高氯酸、硝酸中的一种或两种以上的混合酸；所述掺杂酸的浓度为0.1-2mol/L；所述电化学沉积过程中反应温度为-5-50℃，沉积电流密度为0.01-20mA/cm²。

所述化学聚合方法为导电聚合物单体溶液中加入掺杂酸和氧化物使之发生化学聚合反应制备导电聚合物。

所述化学聚合方法制备导电聚合物过程中，导电聚合物单体溶液中，溶剂为甲醇、乙醇、水、乙二醇、异丙醇中的一种或两种以上的混合溶液，导电聚合物单体的浓度为0.001-2mol/L；所述掺杂酸为盐酸、硫酸、高氯酸、硝酸中的一种或两种以上的混合酸；所述掺杂酸的浓度为0.1-2mol/L；所述化学聚合方法中，溶液中氧化剂与导电聚合物单体的物质的量的比为0.5-2；所述反应温度为-5-50℃，反应时间为12-48小时；所述氧化剂为过硫酸铵，氯化铁，过氧化氢，高锰酸钾中的一种或两种以上的混合物。

步骤(2)电容-催化复合层的制备方法为于溶剂中加入步骤(1)所得导电聚 合物，以及催化剂和粘结剂配制成浆液，采用刷涂、喷涂、丝网印刷中的一种或两种以上于一气体扩散层表面制得电容-催化复合层；