一种催化层全有序燃料电池电极和膜电极制造技术

本发明专利技术公开了一种催化层全有序燃料电池电极和膜电极，涉及燃料电池技术领域，电极催化层由有序的碳纳米管载体和在载体上有序生长的铂基催化剂纳米线组成。将离子导体均匀分布在所述催化层中形成有序的离子传输通道，载体和催化剂纳米线的有序阵列结构确定了气液传输通道的有序性。将所述的催化层组分和结构全有序的电极与聚电极质膜压合即成为基于催化层组分和结构全有序的膜电极。本发明专利技术所述的这种全有序的燃料电池电极和膜电极可结合有序碳纳米管载体阵列的高效电子传导和传质特性及有序铂基催化剂纳米线的高活性和稳定性，大幅提高了燃料电池电极和膜电极的放电性能和稳定性。

A fully ordered fuel cell electrode and membrane electrode for catalytic layer

The invention discloses a catalyst layer fully ordered fuel cell electrode and membrane electrode, which relates to the technical field of fuel cell. The electrode catalyst layer consists of ordered carbon nanotube carrier and platinum-based catalyst nanowires orderly grown on the carrier. The ion conductors are evenly distributed in the catalyst layer to form an ordered ion transport channel. The ordered array structure of the carrier and catalyst nanowires determines the orderliness of the gas-liquid transport channel. The electrode with the catalyst layer composition and structure fully ordered is pressed with the polyelectrode plasma membrane to become a membrane electrode based on the catalyst layer composition and structure fully ordered. The fully ordered fuel cell electrode and the membrane electrode can combine the high efficiency electron conduction and mass transfer characteristics of the ordered carbon nanotube carrier array and the high activity and stability of the ordered platinum-based catalyst nanowires, thereby greatly improving the discharge performance and stability of the fuel cell electrode and the membrane electrode.

【技术实现步骤摘要】
一种催化层全有序燃料电池电极和膜电极
本专利技术涉及燃料电池
，特别涉及一种基于催化层组分和结构全有序的燃料电池电极和膜电极。
技术介绍
电极和膜电极是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件，是造成能量转换的多相物质传输和电化学反应的最终场所，决定着PEMFC的性能、寿命以及成本。早在2013年，美国能源部在《FuelCellTechnicalRoadmap》中就明确提出2020年膜电极的性能目标为功率密度达到1.0W/cm2，加速老化寿命达到5000h，成本低于14$/kW。随着PEMFC商业化的进程，人们对其性能和寿命提出了更高的追求。然而，目前PEMFC电极和膜电极的制备中通常是将催化剂与质子导体(如Nafion)按一定比例混合来形成电极催化层，电极反应过程中质子/电子和水/气等物质的多相传输均处于无序状态，造成较大的电化学极化和浓差极化，限制着膜电极的性能提升。因此，要达到未来电极和膜电极技术商业化的要求，就必须从实现三相界面中的质子、电子、气体和水等物质的多相传输通道的有序化角度出发，极大地提高催化剂利用率和稳定性，进一步提升PEMFC的综合性能。因此，有序化是今后PEMFC电极和膜电极的发展趋势。催化层是膜电极的主体，是电化学反应发生的唯一场所。目前，针对有序化膜电极的研究主要集中在构建有序的催化层组分和结构，如有序化载体、有序化催化剂和有序化质子导体。中国专利申请号201210197913.8的申请公开了一种基于三维质子导体的有序化单电极和膜电极的制备方法。这种膜电极的主要特征在于以三维结构的质子导体为基础，采用真空蒸镀技术在纳米纤维表面均匀蒸镀一层纳米活性金属催化剂，在保证质子传导效率的同时极大地增加了催化层的面积，有利于传质，减少质子导体的用量。同时，采用蒸镀技术可以对纳米活性金属薄膜的厚度进行调控，在提高贵金属或其合金催化剂性能同时大幅减少活性金属催化剂的用量。测试表明，在铂载量0.1-0.2mg/cm2下，电池在200mA/cm2电流密度下放电电压可高达0.7-0.82V。俞红梅等人(中国专利申请号201110418390.0)专利技术了一种制备贵金属纳米颗粒负载于TiO2纳米阵列形成有序化电极的方法，在钛片上生长TiO2纳米管阵列，并以此为基底，采用脉冲电沉积方法制备Ni前驱体，然后经过转换把铂、钯、金等贵金属担载其上形成电极。该有序电极中贵金属催化剂不仅能均匀分布在TiO2纳米管阵列的表面，而且在纳米管内也能分散均匀，能够提供更多的表面催化活性点位和催化反应比表面积，可应用于燃料电池和光催化领域。然而，在这些有序电极结构中，贵金属催化剂通常是以纳米粒子的形态沉积在有序化载体表面，在电池长时间运行过程中，Pt粒子可能发生脱落或团聚，影响膜电极的性能和耐久性。研究表明，当Pt或其合金按一定晶面取向生长时，可形成有序化纳米线状催化剂，其具有特殊的晶面和较少的表面缺陷，比普通Pt/C催化剂具有更高的氧还原(ORR)活性和化学稳定性。例如Liang等人(AdvancedMaterials,2011,23,1467-1471)考察了Pt纳米线(Pt-NW)的ORR性能，其比活性比普通Pt/C催化剂高出2.1倍，并且发现其一维形貌有利于电子的传递和O2分子的扩散。Du等人(JournalofPowerSources,2010,195,289-292)直接在气体扩散层上原位生长Pt-NW作为电极，但由于催化剂载体的无序性以及Pt-NW只能在其表层生长，其电池性能提升有限。以上研究表明，单一有序化材料在提升PEMFC电极和膜电极性能或稳定性方面还存在着局限性。根据膜电极结构和物质传输方向，在催化层中构建垂直取向的CNT阵列(VerticallyAlignedCarbonNanotubes，VACNTs)作为有序化载体受到人们的青睐。VACNTs在催化层中的引入，可为电化学反应中电子和水/气的传输提供连续直接的通道，因此物质传输阻力很小，电池在浓差极化区的性能可以得到明显改善。鉴于此，我们设想可利用孔结构可调的阳极氧化铝膜(AAO)为模板，采用CVD方法在气体扩散层上原位生长不同组分的垂直生长的N掺杂VACNTs作为有序载体，再在其表面原位生长特定晶面取向的Pt-NW(Pt或其合金)为有序催化剂，最后引入质子导体在其表面均匀吸附。原位生长的N掺杂VACNTs和Pt-NW的有序阵列定义了质子导体分布和三相物质传输通道的有序性，从而形成一种各组分和通道全部有序分布的催化层结构。该“全有序”结构催化层可结合VACNTs阵列的高效电子传导和传质特性及Pt-NW催化剂的高活性和稳定性，有望大幅提高PEMFC电极和膜电极的放电性能和稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于催化层全有序结构的PEMFC电极和膜电极，从而减小PEMFC电极内部的传质阻力和增强催化剂的稳定性，达到增强燃料电池性能和耐久性的目的。本专利技术的技术方案如下：一种催化层全有序燃料电池电极和膜电极，包括电极催化层和全有序膜电极；所述电极催化层包含有序的碳纳米管载体阵列、有序的铂基催化剂纳米线和离子导体；所述全有序膜电极由全有序电极和聚电解质膜组成。进一步的，所述碳纳米管载体阵列垂直生长在气体扩散层上。进一步的，所述有序的铂基催化剂纳米线原位生长在所述有序碳纳米管阵列上。进一步的，所述离子导体为全氟磺酸、部分氟化磺酸、季铵化聚砜或者季铵化聚苯乙烯离子高聚物中的一种。进一步的，所述电解质膜为全氟磺酸膜、部分氟化磺酸膜、聚苯并咪唑膜、聚苯并咪唑衍生物膜、聚2,5-苯并咪唑膜、季铵化聚砜膜或者季铵化聚苯乙烯膜中的一种。进一步的，所述碳纳米管为未掺杂的碳纳米管、氮掺杂的碳纳米管、磷掺杂的碳纳米管或者硫掺杂的碳纳米管中的一种；所述气体扩散层为碳纸或者碳布中的一种。进一步的，所述碳纳米管直径为20～100nm，长度为10～50μm。进一步的，所述催化剂纳米线为铂纳米线、铂钴纳米线、铂镍纳米线、铂铜纳米线或者铂钯纳米线中的一种。本专利技术所述电极和膜电极的有益效果：通过原位生长的VACNTs为有序载体和Pt-NW作为催化剂，一方面有效结合VACNTs的高效传质特性和Pt-NW的高催化活性和稳定性，另一方面通过组分/结构调控促进有序化材料间的相互协同，从而保证催化层的稳定性和高效电化学反应效率。附图说明图1为本专利技术所述催化层全有序结构聚电解质膜燃料电池电极(左)和膜电极(右)结构示意图，图2为本专利技术所述催化层全有序结构聚电解质膜燃料电池电极和膜电极的制备工艺流程图。附图标记：1-气体扩散层；2-碳纳米管；3-铂基纳米线；4-电解质膜。具体实施方式下面结合附图及和实施例对本专利技术作进一步地说明。本专利技术所述的催化层全有序聚电解质膜燃料电池电极和膜电极结构如图1所示。该催化层全有序聚电解质膜燃料电池电极主要由气体扩散层1、在气体扩散层1上垂直生长的碳纳米管2(VACNT)作为催化剂载体和在VACNT上生长的铂基纳米线3(Pt-NW)组成。在该催化层全有序聚电解质膜燃料电池电极中引入离子导体聚合物后，与聚电解质膜4压合即可形成催化层全有序聚电解质膜燃料电池膜电极。原位生长的VACNTs和Pt-NW的有序阵列定义了质子导体分布和三相物质传输通道的有序性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化层全有序燃料电池电极和膜电极，包括电极催化层和全有序膜电极；其特征在于，所述电极催化层包含有序的碳纳米管载体阵列、有序的铂基催化剂纳米线和离子导体；所述全有序膜电极由全有序电极和聚电解质膜组成。

【技术特征摘要】
1.一种催化层全有序燃料电池电极和膜电极，包括电极催化层和全有序膜电极；其特征在于，所述电极催化层包含有序的碳纳米管载体阵列、有序的铂基催化剂纳米线和离子导体；所述全有序膜电极由全有序电极和聚电解质膜组成。2.根据权利要求1所述的催化层全有序燃料电池电极和膜电极，其特征在于，所述碳纳米管载体阵列垂直生长在气体扩散层上。3.根据权利要求1所述的催化层全有序燃料电池电极和膜电极，其特征在于，所述有序的铂基催化剂纳米线原位生长在所述有序碳纳米管阵列上。4.根据权利要求1所述的催化层全有序燃料电池电极和膜电极，其特征在于，所述离子导体为全氟磺酸、部分氟化磺酸、季铵化聚砜或者季铵化聚苯乙烯离子高聚物中的一种。5.根据权利要求1所述的催化层全有序燃料电池电...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏华能，姚东梅，张玮琦，马强，徐丽，徐谦，李华明，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32