[发明专利]基于纳米管阵列的有序化气体扩散电极的制备及其应用

说明书

本发明描述了一种基于纳米管阵列的有序化气体扩散电极的制备及应用，包括有序化微结构的形成，纳米管阵列的制备，有序化气体扩散电极的装配。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Co‑OH‑CO₃纳米棒阵列的表面沉积催化剂薄膜，此时可以将担载有催化剂薄膜的Co‑OH‑CO₃纳米棒阵列直接转印到气体扩散层上，或者将担载有催化剂薄膜的Co‑OH‑CO₃纳米棒阵列进行退火之后转印到气体扩散层上，所制备的气体扩散电极可以直接应用于燃料电池，也可以在纳米管阵列的表面担载催化剂后应用于燃料电池。本发明所构建的气体扩散电极具有催化剂担载量低、催化剂利用率高等优点。

技术领域

本发明涉及一种有序化气体扩散电极的制备方法，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。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。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。

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US8802329B2介绍了一种基于NSTF电极的有序化气体扩散电极的制备方法，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带有微孔层的气体扩散层上，所制备的气体扩散电极适用于燃料电池。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CN201610553993.4介绍了一种基于铂或者铂合金纳米管的膜电极的制备及其应用，具体为以Co-OH-CO₃纳米棒阵列为模板，采用化学气相沉积或者物理气相沉积技术在Co-OH-CO₃纳米棒阵列上担载催化剂；将担载有催化剂的纳米棒阵列转印至离子交换膜的一侧或者两侧，所制备的有序化膜电极可用于燃料电池、水电解池。

专利CN201611014780.0介绍了一种基于纳米金属氧化物纳米带的有序化膜电极的制备方法和应用，具体为采用水热法制备了高度有序的Co-OH-CO₃纳米棒阵列，然后在此纳米棒阵列的表面担载金属氧化物薄膜，再在金属氧化物的纳米棒阵列表面修饰催化剂，最后将担载有催化剂的阵列转移到离子交换膜的一侧或者两侧。由于Co-OH-CO₃纳米棒特殊的表面形貌，所制备的金属氧化物纳米棒在后续处理中开裂形成氧化物纳米带，所制备的膜电极由担载有催化剂的金属氧化物纳米带构成。