[发明专利]基于铂或铂合金纳米管的膜电极的制备及其应用

说明书

本发明描述了一种基于铂或铂合金纳米管的膜电极的制备及应用，包括有序化电极微结构的形成，铂或铂合金纳米管的制备及膜电极的装配。首先在基底上生长具有规则取向的Co‑OH‑CO3纳米棒阵列，然后在此阵列上担载催化剂，并对担载有催化剂的Co‑OH‑CO3纳米棒阵列进行退火处理，最后将阵列热压于离子交换膜上得到膜电极，并对膜电极进行净化处理，所构建的膜电极可应用于燃料电池。本发明所构建的膜电极具有催化剂担载量低、催化剂利用率高、易于放大等优点。

技术领域

本发明涉及一种膜电极的制备方法，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，可有效地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)是燃料电池电化学反应的核心部件，它由位于质子交换膜两侧的催化层和气体扩散层组成。膜电极主要分为气体扩散电极(Gas Diffusion Electrode，GDE)、薄层覆膜电极(catalyst coated membrane，CCM)和以美国3M公司的纳米薄层电极(nanostructured thin film，NSTF)为代表的有序化电极(ordered MEAs)。GDE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；CCM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，使得催化剂的用量高、催化剂利用率低。为解决燃料电池贵重金属用量高、催化剂利用率低的问题，3M公司开发了一种有序薄层电极(NSTF electrode，Nanostructured Thin Film electrode)，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。

专利US5039561介绍了一种有序化纳米晶须阵列的制备方法，具体为在基底上沉积有机物薄膜，然后对有机物薄膜在高温、高真空条件下进行退火处理，得到高度有序的纳米晶须阵列。该发明所制备的纳米晶须阵列具有优异的化学稳定性和机械强度。

专利US20110151353A1介绍了一种NSTF电极的制备方法，具体为采用磁控溅射技术在有序化纳米晶须阵列上沉积Pt、Mn、Co、Ir等金属，然后将担载有催化剂的纳米棒阵列转印于离子交换膜的一侧或者两侧，所制备的电极适用于燃料电池、水电解池。该发明所制备的电极具有贵金属用量低、电化学活性高、稳定性好、传质阻力小等优点。

专利CN201310690828.X介绍了一种自支撑催化层的制备方法，具体为采用水热法制备有序化的纳米棒阵列，然后采用磁控溅射技术在阵列上担载催化剂，最后将催化剂转印到离子交换膜上。该专利所制备的电极具有担量低、厚度薄的特点，但是该专利所制备的催化层由铂和其它金属的机械混合物构成，是一种无序的大孔薄膜电极。

本发明在专利CN201310690828.X的基础上制备了基于铂及其合金纳米管的膜电极。所制备的电极由铂或者铂合金纳米管构成。所制备的电极的形貌、组成与专利CN201310690828.X不同。本发明所采用的方法条件温和、操作简单，可有效降低电极的贵金属用量。

发明内容

一种基于铂或者铂合金纳米管的膜电极的制备方法，包括以下步骤：

1)配制反应溶液；反应溶液为浓度为1-30mM的氟化铵，1-30mM的尿素，1-50mM的硝酸钴的水溶液；