[发明专利]一种利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池及其制备方法

权利要求书

1.一种利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池，所述的氢燃料电池包括阳极和阴极，其特征在于，阳极和阴极之间通过质子交换膜相连接，所述的阳极包括上电极，阳极石墨烯层和阳极黑磷烯催化剂层，所述的阴极包括下电极、阴极石墨烯层和阴极黑磷烯催化剂层，阳极黑磷烯催化剂层和阴极黑磷烯催化剂层对称安装在质子交换膜的上、下两侧，上电极通过阳极石墨烯层连接在阳极黑磷烯催化剂层上，下电极通过阴极石墨烯层连接在阴极黑磷烯催化剂层上；

所述的石墨烯黑磷烯异质结为黑磷烯层与石墨烯的之间形成的一种堆垛结构，阳极和阴极中石墨烯层与黑磷烯催化剂层的连接间距均为3.612Å；所述的阳极石墨烯层中石墨烯的层间距离为5Å，所述的阳极黑磷烯催化剂层中黑磷烯的层间距离为15Å。

2.如权利要求1所述的利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池，其特征在于，所述的阳极黑磷烯催化剂层中的催化剂为Pt，所述阴极黑磷烯催化剂层中的催化剂为Pt与Pb的合金。

3.一种如权利要求1所述的利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

1）将白磷在1000-1200Pa的气压下加热到200-250℃，进行处理得到黑磷烯；

2）采用机械剥离法得到一定层数的黑磷烯，在黑磷烯表面，采用化学气相淀积一定层数的石墨烯，制得石墨烯黑磷烯异质结；

3）在石墨烯黑磷烯异质结中石墨烯上表面蒸发形成钦铂金金属层；

4）用光学光刻法在钦铂金金属层上形成燃料电池的上电极金属，蒸发20nmTi，20nmPt，150nmAu；

5）重复步骤2）—4）制备下电极；

6）用光学光刻和电子束蒸发法，制作形成金属接线柱。

4.如权利要求3所述的利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池的制备方法，其特征在于，所述石墨烯黑磷烯异质结的制备方法如下：

（1）将白磷在1000-1200Pa的气压下加热到200-250℃，得到片状黑磷；通过机械剥离方法从黑磷晶体剥离出多层黑磷烯；再通过离子体剥离方法剥离得到层状黑磷烯；

（2）从层状的黑磷烯中获取黑磷块体，将黑磷块体浸入过氧化氢异丙苯CHP的溶剂中，再加超声波超声10-15分钟；使用离心机使其分离得到层状物；

（3）采用Si基板从溶液中捞出黑磷烯薄膜，放在50-60℃的加热台上烘干，去除黑磷烯薄膜与Si基板之间的水分，同时将少层黑磷烯更牢固的与Si基板结合；

（4）得到黑磷烯Si基板上含有多层黑磷烯结构，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离掉多余的黑磷烯得到适当层数的黑磷烯；

（5）将步骤（4）中得到的黑磷烯Si基板放入炉中，持续通入保护气体加热至1000℃，保温反应20min后停止通入保护气体，通入碳源气体进行反应30min；反应完成后，关闭碳源气体，通入保护气体排净碳源气体，在保护气体的环境下冷却到室温，取出Si基板，得到Si基板上的黑磷烯石墨烯异质结；将Si基板上的黑磷烯石墨烯异质结剥离下来。

5.如权利要求4所述的利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池的制备方法，其特征在于，所述的碳源气体为甲烷。

6.如权利要求4所述的利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池的制备方法，其特征在于，所述的保护气体为氢气和氩气或者氢气和氮气。