碳粉分散于IOOmL去離子水中，超聲分散均勻后；加入80mg二亞硝 基二胺鉬，將混合溶液加熱至70°C，持續(xù)攪拌，反應(yīng)48小時，充分進行離子交換；將含有5% 的Nafion溶液8g加入至上述混合溶液中，70°C持續(xù)攪拌6小時；將混合溶液加熱揮發(fā)溶 齊U，至總質(zhì)量為2. 5g(固含量20%)。
[0082] b.催化層的冷凍干燥還原制備
[0083] 將上述a步驟制備的漿液刮涂至氣體擴散層表面，液氮充分冷凍后置于冷凍干燥 器中-52攝氏度、IOPa條件下冷凍干燥24小時；取出后置于管式爐中250攝氏度氫氣還原 4小時，即可得所制備的多孔骨架結(jié)構(gòu)氣體擴散電極。
[0084] 對比例1 :
[0085] 1)氣體擴散層的制備：
[0086] 將Toray碳紙浸泡于20%的PTFE水溶液中，充分浸潤后取出風(fēng)干，稱重。反復(fù)進行 上述步驟，直至PTFE載量為15%左右。將VulcanXC-72碳粉與相對于總質(zhì)量10%的PTFE 水溶液混合均勻，用乙醇烯釋后，在超聲條件下分散20分鐘，攪拌均勻。將上述疏水化處理 的碳紙置于玻璃板上固定，將上述漿液刮涂于碳紙表面，稱重，直至碳粉載量為Img?cnT2， 即得到氣體擴散層。
[0087] 2)傳統(tǒng)氣體擴散電極的制備：
[0088] a?傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)合前體漿液的制備
[0089] 將50mg氧化石墨分散于IOOmL去離子水中，超聲分散4小時；加入80mg二亞硝基 二胺鉬，將混合溶液加熱至70°C，持續(xù)攪拌，反應(yīng)48小時，充分進行離子交換；將含有5%的 Nafion溶液8g加入至上述混合溶液中，70°C持續(xù)攪拌6小時；將混合溶液加熱揮發(fā)溶劑， 至總質(zhì)量為2. 5g(固含量20%)。
[0090] b?傳統(tǒng)催化層干燥還原制備
[0091] 將上述a步驟制備的漿液刮涂至氣體擴散層表面，空氣中風(fēng)干；取出后置于管式 爐中250°C氫氣還原4小時，即可得所制備的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)氣體擴散電極。
[0092] 對比例2 :
[0093] 1)氣體擴散層的制備：
[0094] 將Toray碳紙浸泡于20%的PTFE水溶液中，充分浸潤后取出風(fēng)干，稱重。反復(fù)進行 上述步驟，直至PTFE載量為15%左右。將VulcanXC-72碳粉與相對于總質(zhì)量10%的PTFE 水溶液混合均勻，用乙醇烯釋后，在超聲條件下分散20分鐘，攪拌均勻。將上述疏水化處理 的碳紙置于玻璃板上固定，將上述漿液刮涂于碳紙表面，稱重，直至載量為Img?cnT2,即得 到陰極氣體擴散層。
[0095] 2)催化劑漿液的制備：
[0096] 將3mg商品鉬黑催化劑（JM)置于燒杯中，加入50mg去離子水，超聲分散5分鐘。 再加入7mg5%的Nafion溶液（DuPont),超聲分散5分鐘。加入50mg無水乙醇，超聲分散30 分鐘，得到催化劑漿液。
[0097] 3)催化層的制備：
[0098] 將上述步驟1)所得樣品固定于真空熱臺上，加熱至60°C，30分鐘后取下稱重，重 新固定于熱臺上；取上述將步驟2)所得催化劑漿液隨氮氣用噴筆均勻噴涂于步驟1)所得 樣品表面，噴涂結(jié)束后，在60°C下保持30分鐘，取下稱重，催化劑載量約為0. 5mg 得 到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)膜電極。
【主權(quán)項】
1. 一種有序化氣體擴散電極，其特征在于： 包括氣體擴散層和基于氣體擴散層的多孔骨架結(jié)構(gòu)催化層，多孔骨架結(jié)構(gòu)催化層附著 于氣體擴散層一側(cè)表面，且微觀上具有規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述氣體擴散電極，其特征在于： 所述多孔骨架結(jié)構(gòu)催化層是W化fion聚離子為骨架，于化fion聚離子上附著有催化 齊U;所述催化劑為擔(dān)載型Pt或Pt合金的納米粒子。
3. 如權(quán)利要求1所述氣體擴散電極，其特征在于： 所述具有規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)為于擴散層一側(cè)表面納米骨架形成均勻分布的孔隙，且孔隙 之間相互連通，孔徑大小為0. 5微米至10微米。
4. 如權(quán)利要求1所述氣體擴散電極，其特征在于： 所述氣體擴散層由支撐層和微孔層組成；所述支撐層為碳紙或碳布；所述微孔層為XC-72碳粉、BP000、己快黑碳粉、碳納米管、碳納米纖維、石墨帰中的一種或兩種W上混合 PTFE和/或化fion后通過刮涂、刷涂或噴涂至支撐層表面制得；所述多孔骨架結(jié)構(gòu)催化層 附著于氣體擴散層的微孔層一側(cè)表面。
5. 如權(quán)利要求2所述任一氣體擴散電極，其特征在于： 所述擔(dān)載型Pt或Pt合金的納米粒子中，載體材料為XC-72碳粉、BP000、己快黑 碳粉、碳納米管、碳納米纖維、石墨帰、氧化石墨中的一種或二種W上；Pt合金為PtCo、 PtFe、PtNi、PtRu、P巧d、PtSn、PtPb中的一種；催化劑中Pt或Pt合金納米粒子擔(dān)載量為 5-75wt. 〇/〇。
6. 如權(quán)利要求2所述任一氣體擴散電極，其特征在于： 所述催化層中化fion聚離子的質(zhì)量百分含量為5-85%。
7. -種權(quán)利要求1-6任一所述氣體擴散電極的制備方法，其特征在于：包括W下制備 步驟， a. 多孔骨架結(jié)構(gòu)復(fù)合前體漿液的制備： 采用離子交換法將Pt前體鹽、或Co、Fe、Ni、PtRu、Sn、化中任一一種的前體鹽與Pt的前體鹽的混合溶液離子交換至載體表面；再與化fion聚離子溶液混合，濃縮至固含量為 5-20wt. %，形成制備多孔骨架結(jié)構(gòu)的漿液； b. 催化層的冷凍干燥還原制備： 將上述步驟a所得漿液制備于氣體擴散層表面，置于冷凍干燥器中冷凍干燥24-48小 時；取出后于氨氣氣氛下、200-50(TC還原2-8小時，得多孔骨架結(jié)構(gòu)催化層。
8. 如權(quán)利要求7所述氣體擴散電極的制備方法，其特征在于： 步驟a中，所述離子交換方法具體為將載體于水溶液中分散均勻，加入Pt前體鹽、或Co、Fe、Ni、PtRu、Sn、Pb中任--種的前體鹽與Pt的前體鹽的混合溶液，6〇-9(TC條件下 反應(yīng)24-72小時； 步驟a中，所述Pt前體鹽或前體鹽的混合溶液的鹽濃度為l-20mg/mL; 步驟a中，所述化fion聚離子占固含量的比例為5-85%。
9. 如權(quán)利要求8所述氣體擴散電極的制備方法，其特征在于： 步驟a中，所述載體為XC-72碳粉、BP000、己快黑碳粉、碳納米管、碳納米纖維、石墨帰、 氧化石墨中的一種或二種W上；所述載體濃度為0. 01-lwt. %。
10. -種權(quán)利要求1-5任一所述氣體擴散電極的應(yīng)用，其特征在于：該電極可用作質(zhì)子 交換膜燃料電池、直接液體燃料電池、金屬空氣電池、質(zhì)子交換膜型水電解池中的氣體擴散 電極。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型多孔骨架結(jié)構(gòu)膜電極及其制備和應(yīng)用，所述膜電極由氣體擴散層和催化層組成，所述氣體擴散層為Vulcan XC-72碳粉、乙炔黑碳粉、碳納米管或石墨烯混合PTFE或Nafion擔(dān)載于支撐層上所制得，所述催化層為多孔骨架結(jié)構(gòu)催化層，其由于氣體擴散層表面形成的Nafion聚離子、碳材料以及其上擔(dān)載的納米鉑粒子構(gòu)成的多孔骨架結(jié)構(gòu)組成。本發(fā)明所述有序化膜電極具有貴金屬Pt利用率高、穩(wěn)定性高、傳質(zhì)阻力低等優(yōu)點，可有效降低燃料電池催化劑成本，提高燃料電池性能及壽命；同時，本發(fā)明所述膜電極可有效增強燃料在催化層中的傳質(zhì)，從而提高燃料的利用率；本發(fā)明所述有序化膜電極可作為質(zhì)子交換膜燃料電池、直接液體燃料電池和質(zhì)子交換膜水型電解池用膜電極。
【IPC分類】H01M4-88, H01M4-86
【公開號】CN104716333
【申請?zhí)枴緾N201310692407
【發(fā)明人】孫公權(quán), 夏章訊, 王素力, 姜魯華
【申請人】中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2013年12月15日