[发明专利]一种一体式氧还原催化电极及其用途

说明书

本发明公开了一种一体式氧还原催化电极及其用途，电极包括由高密度碳基材料组成的三维导电网络和负载于三维导电网络的氧还原催化剂，三维导电网络具有三维多孔结构，其孔隙率为0.05～5.5cm³/g，孔径大小为0.5nm～15μm；其中，高密度碳基材料的密度为0.2～4.5g/cm³，比表面积在10～2500m²/g之间；电极中氧还原催化剂的含量为0.1～30％。本发明通过在高密度碳载体孔道中负载氧还原催化剂可有效提高阴极氧还原反应的有效活性面积，进一步加速阴极溶解氧的还原反应，提高阴极放电性能。由于阴极催化性能的提高，金属‑溶解氧海水电池的放电性能大幅提高、电池体积小，具有较高的功率密度和能量密度。本发明主要面向海水应用，可拓展至盐水、咸水湖等多种水体环境。

技术领域

本发明属于电极技术领域，尤其涉及一种一体式氧还原催化电极及其用途。

背景技术

随着人们对海洋科研和海洋资源开发活动的深入发展，海洋监测、海洋工程、海洋军事活动、海洋救生及潜航器等海洋装备，特别是海洋深水探测和资源开发生产活动得到了大力的发展。局限性的电缆输送岸电、船舶供电或复充式电池供电方式已远远不能满足日益突出的海上活动要求，大大限制了人们深入发展和进行海洋科研和生产活动。多年来人们一直在寻求制造一种适应海洋活动使用的、相对长效的独立电源，在这种情况下，使用前景广阔的海水电池应运而生，其中，溶解氧海水电池发展较为迅猛。

现有技术中的溶解氧海水电池的阴极一般采用石墨、碳钢或铜合金等惰性导电材料，其通电密度一般＜1.5mA/cm²，对海水溶氧还原催化效率低、反应速度慢、稳定性差，严重抑制了电能的生成，也大大制约了海水电池的发展与应用推广。目前商品化的海水溶解氧电池，如《一种高效氧催化活性沉积铂碳纤维电极的制备方法》，CN 109962247 A公开的电池，均采用的碳纤维刷作为海水电池的正极。由于电池碳纤维电极未经过表面改性处理，其活性官能团少、电催化活性点少，导致海水中溶解氧在电池阴极还原反应电催化性能很低，只能在极低电流密度下工作，致使电池的功率密度输出特性差，为了满足海水电池的功率需求，需要用大量的碳纤维材料，必然会增大电池的体积和重量。

现有技术中针对以上提及的碳电极活性低这一问题的解决方案是：通过在导电基底材料表面涂布/负载催化剂的方式提高催化活性。但是，将催化剂涂布到导电基底上这一传统方式会导致以下几个问题：①催化剂层在海水流动的冲刷或其他因素影响下易于发生粉化剥落，从而导致有效催化面积减少，进而造成电池放电性能下滑；②粘结剂作为催化惰性组分，占据一定的催化剂层体积，影响催化剂与海水的有效接触面积，导电基底在整体电极中占有较大比重，会降低电极的体积能量密度；③随着放电反应的进行，这种涂布式的催化剂层厚度有限，在表层催化剂开始逐步失活或者受生物污损等影响而失效的时候，整体电极的放电性能受到较大影响。

基于此，本发明旨在针对现有技术存在的缺点，提供一种一体式氧还原催化电极，其采用高密度碳网络作为导电载体，其本身具有高机械强度，丰富及可调控的孔隙结构，良好的导电性等优势，将其直接作为阴极可简化电极制作工艺。根据本发明一体化电极本身的结构和性能优势，其极大地避免了材料剥落问题，保证性能稳定性；可调的孔隙结构，保证内部也实现良好的传质与接触；降低非活性组分体积与质量，提升体积和质量能量密度；由于是一体式结构，在外层失活条件下，内层仍可以良好工作，延长了使用寿命。此外，在其孔道中负载氧还原催化剂可进一步提高阴极氧还原反应的有效活性面积，进一步加速阴极溶解氧的还原反应，提高阴极放电性能。本发明主要面向海水应用，可拓展至盐水、咸水湖等多种水体环境，具有广泛的实用前景。

发明内容