[发明专利]基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法

说明书

本发明提供一种基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，利用氧化锌纳米阵列得到贵金属纳米阵列形成有序结构，包括氧化锌晶种层的制作，氧化锌纳米阵列的生长，薄层金属置换剂的制备，贵金属催化剂的制备，膜电极的制作和氧化锌的去除。本发明通过贵金属置换的方法，实现了一种简单可控的制作出低贵金属载量的有序化膜电极的方法，在保证较好的电池性能的前提下，较常规方法显著提高了贵金属的催化活性和利用率，有效的降低了贵金属的使用量，为设计低贵金属载量有序化膜电极提供了一种新思路。本发明步骤简单，在燃料电池领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池和直接醇类燃料电池领域，特别是涉及一种基于贵金属空心管阵列的燃料电池有序化膜电极的构筑方法。

背景技术

随着清洁交通动力和便携式电子产品市场的蓬勃发展，人们越发期望电池性能可以较好的满足相关产品对电源的需求。质子交换膜燃料电池和直接醇类燃料电池由于具有能量密度高、低污染和工作温度低等优点，成为新一代电源系统的研究热点。然而，目前上述两类电池的成本、输出功率密度和使用寿命仍没有达到商业化要求。如何降低电池的铂载量以降低其成本，如何改进电池的电极结构以提高其输出性能和寿命是推动燃料电池商业化的关键。

目前这方面的研究工作主要包括开发低贵金属高效催化剂、非贵金属催化剂和有序化膜电极(Membrane Electrode Assemblies，MEA)，其中有序化膜电极相较而言更加有效和接近商业化。有序化膜电极的能够最大化三相反应界面，显著提高了催化剂的利用率。同时，有序化结构为MEA内部的物质传输提供高速有效的通道，显著降低传质阻力，优化物质传输。因而有序化结构可以使MEA在较低的Pt载量的情况下仍能达到较高的功率输出。有序化MEA的研究大致分为三类：第一类是载体材料有序化膜电极，一般是将碳材料制作成碳纤维或碳管，且最佳的是有序化的碳材料垂直于Nafion膜表面{Li,W.；Wang,X.；Chen,Z.；Waje,M.；Yan,Y.Langmuir:the ACS journal of surfaces and colloids 2005,21,9386.}；第二类是质子导体有序化膜电极，大多是将传统的薄膜状的Nafion膜制作成纤维、纳米线或纳米管{Pan,C.；Zhang,L.；Zhu,J.；Luo,J.；Cheng,Z.；Wang,C.Nanotechnology2007,18,015302.}；第三类是催化剂有序化膜电极，一般是将传统的颗粒状的铂催化剂制作成纳米线、纳米管或纳米薄膜，并尽量使催化剂垂直于Nafion膜，形成有序化结构{Debe,M.K.；Hendricks,S.M.；Vernstrom,G.D.；Meyers,M.；Brostrom,M.；Stephens,M.；Chan,Q.；Willey,J.；Hamden,M.；Mittelsteadt,C.K.；Capuano,C.B.；Ayers,K.E.；Anderson,E.B.Journal of The Electrochemical Society 2012,159,K165.}。相较而言，上述三类有序化膜电极以3M公司开发的基于晶须薄膜状催化剂为代表的有序化膜电极最为成功。但该方法的问题在于制备过程较复杂，需要严格控制晶须的生长条件，在滚压转印催化层的时候容易破坏其有序结构。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，用于降低膜电极的贵金属使用量并提高电池输出性能。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，包括步骤：步骤1)，提供一基底，于所述基底上制备氧化锌晶种层；步骤2)，于所述氧化锌晶种层上生长氧化锌纳米阵列；步骤3)，于所述氧化锌纳米阵列表面形成活泼金属作为置换剂；步骤4)，基于贵金属前驱溶液对所述活泼金属进行贵金属的置换反应，获得贵金属纳米阵列；以及步骤5)，将所述贵金属纳米阵列、质子交换膜以及制备好的阳极膜压制成膜电极，然后去除所述氧化锌纳米阵列，获得基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极。