[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用石墨烯基气体扩散电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料化学领域及高能电池材料技术领域，具体涉及一种新型的质子交换膜燃料电池用石墨烯基气体扩散电极及其制备方法。

背景技术

随着化石能源的不断枯竭，环境问题的日益严重，燃料电池作为一种新型的清洁能源发电装置得到了业界的重视，其中，质子交换膜燃料电池由于具有能够在低温下运行的特点而得到广泛关注。催化剂是质子交换膜燃料电池发展的关键，它不仅是其价格的制约因素，也是其化学和机械稳定性的重要决定因素。因此，如何降低催化剂的使用量，提高催化剂的利用率，成为近年来的研究热点。目前市场上的主流催化剂为Pt，但由于其成本高昂且较为稀缺，难以满足未来的大规模储能领域的实际需求。近年来，优异的催化剂支撑材料的开发，因能够提高催化剂的分散性和催化效率等优势而日益受到关注。

碳材料因具有低廉的价格和优异的电子传输效率，成为目前催化剂支撑材料的主要研究目标。碳纸是最为常见的支撑材料，具有易于购买且易于流通气体和排水等优点，但Pt本身分散性并不好，需要以纳米级高分散地单载到导电、耐腐蚀的碳载体上以提高其利用率，而制作Pt/C催化剂的步骤较为繁琐，且碳纸孔隙较多，使得催化剂在分散时易落入碳纸内部，因此催化剂利用率并不高。

最近，石墨烯材料由于其特殊的结构、高比表面积、高导电性以及易于和其他功能材料相结合等优点得到广泛关注。文献报道多数集中于其电化学性能的测试及其作为催化剂载体在燃料电池方面的应用。如L.Chen等[Electrochemistry Communications 13(2011)133–137]用Hummers法制备得到氧化石墨颗粒，然后加入磷酸盐缓冲溶液(PBS)，将其直接电沉积到玻碳电极上测试其电化学性能。B.Seger等[J.Phys.Chem.C,Vol.113,No.19,2009]将氧化石墨和氯铂酸混合，经硼氢化钠还原得到氧化石墨-铂(GO-Pt)，然后用滴涂或者电沉积方式分散在碳纸上，测试其电化学和全电池性能。其电化学活性面积(ECSA)达16.9m²/g，全电池最高功率密度为161mW/cm²。J.Yang等[J.Mater.Chem.,2011,21,3384–3390]用硼氢化钠将氧化石墨和氯钯酸，依次或混合还原两种方式，得到钯/石墨烯片(Pd/GN)，测试其甲酸氧化性能，最高电流密度达300mA/mg。从报道的文献来看，对石墨烯的研究更多的是氧化石墨和催化剂结合然后共同被还原后的电化学性能，而且电化学性能并不十分优异；仅将石墨烯代替炭黑作为载体，工艺较为复杂，可控性较差。本发明以寻找新的燃料电池用催化剂支撑材料为目标，较简便的方法制作还原氧化石墨烯层为手段，利用新的工艺制作了石墨烯基气体扩散电极。还原氧化石墨烯孔隙覆盖率极高，有效阻挡催化剂沉积时的掉落。制作的还原氧化石墨烯层应用于质子交换膜燃料电池阳极材料时，表现出了较高的电化学活性面积与优异的甲醇氧化性能。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池用石墨烯基气体扩散电极，为新型的石墨烯基支撑材料。本发明的另一目的是提供一种上述质子交换膜燃料电池用石墨烯基气体扩散电极的制备方法，通过较简便的三步合成工艺，制备出一种高度致密均匀，同时兼备高Pt利用率的新型氢氧燃料电池用石墨烯基气体扩散电极，同步解决目前燃料电池气体扩散电极制作过程烦琐、可控性较差及催化层较厚导致的贵金属催化剂用量较高的难题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种质子交换膜燃料电池用石墨烯基气体扩散电极，其包含Pt纳米薄膜、还原氧化石墨烯层和碳纸三部分，还原氧化石墨烯层位于Pt纳米薄膜与碳纸之间。

所述的Pt纳米薄膜厚度达5～20nm，优选10nm，还原氧化石墨烯对碳纸的孔隙覆盖率达80～98％，优选90～95％。