基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法技术

本发明专利技术提供一种基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，利用氧化锌纳米阵列得到贵金属纳米阵列形成有序结构，包括氧化锌晶种层的制作，氧化锌纳米阵列的生长，薄层金属置换剂的制备，贵金属催化剂的制备，膜电极的制作和氧化锌的去除。本发明专利技术通过贵金属置换的方法，实现了一种简单可控的制作出低贵金属载量的有序化膜电极的方法，在保证较好的电池性能的前提下，较常规方法显著提高了贵金属的催化活性和利用率，有效的降低了贵金属的使用量，为设计低贵金属载量有序化膜电极提供了一种新思路。本发明专利技术步骤简单，在燃料电池领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及质子交换膜燃料电池和直接醇类燃料电池领域，特别是涉及一种基于贵金属空心管阵列的燃料电池有序化膜电极的构筑方法。
技术介绍
随着清洁交通动力和便携式电子产品市场的蓬勃发展，人们越发期望电池性能可以较好的满足相关产品对电源的需求。质子交换膜燃料电池和直接醇类燃料电池由于具有能量密度高、低污染和工作温度低等优点，成为新一代电源系统的研究热点。然而，目前上述两类电池的成本、输出功率密度和使用寿命仍没有达到商业化要求。如何降低电池的铂载量以降低其成本，如何改进电池的电极结构以提高其输出性能和寿命是推动燃料电池商业化的关键。目前这方面的研究工作主要包括开发低贵金属高效催化剂、非贵金属催化剂和有序化膜电极(MembraneElectrodeAssemblies，MEA)，其中有序化膜电极相较而言更加有效和接近商业化。有序化膜电极的能够最大化三相反应界面，显著提高了催化剂的利用率。同时，有序化结构为MEA内部的物质传输提供高速有效的通道，显著降低传质阻力，优化物质传输。因而有序化结构可以使MEA在较低的Pt载量的情况下仍能达到较高的功率输出。有序化MEA的研究大致分为三类：第一类是载体材料有序化膜电极，一般是将碳材料制作成碳纤维或碳管，且最佳的是有序化的碳材料垂直于Nafion膜表面{Li,W.；Wang,X.；Chen,Z.；Waje,M.；Yan,Y.Langmuir:theACSjournalofsurfacesandcolloids2005,21,9386.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征在于，包括步骤：步骤1)，提供一基底，于所述基底上制备氧化锌晶种层；步骤2)，于所述氧化锌晶种层上生长氧化锌纳米阵列；步骤3)，于所述氧化锌纳米阵列表面形成活泼金属作为置换剂；步骤4)，基于贵金属前驱溶液对所述活泼金属进行贵金属的置换反应，获得贵金属纳米阵列；步骤5)，将所述贵金属纳米阵列、质子交换膜以及制备好的阳极膜压制成膜电极，然后去除所述氧化锌纳米阵列，获得基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极。

【技术特征摘要】
1.一种基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1)，提供一基底，于所述基底上制备氧化锌晶种层；
步骤2)，于所述氧化锌晶种层上生长氧化锌纳米阵列；
步骤3)，于所述氧化锌纳米阵列表面形成活泼金属作为置换剂；
步骤4)，基于贵金属前驱溶液对所述活泼金属进行贵金属的置换反应，获得贵金属纳
米阵列；
步骤5)，将所述贵金属纳米阵列、质子交换膜以及制备好的阳极膜压制成膜电极，然后
去除所述氧化锌纳米阵列，获得基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极。
2.根据权利要求1所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：所述基底包括硅片、碳纸以及制作有气体扩散层的碳纸中的一种。
3.根据权利要求2所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：所述制作有气体扩散层的碳纸，其气体扩散层中聚四氟乙烯的质量分数为10％～
30％，且气体扩散层的载量为1～2mg/cm2。
4.根据权利要求3所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：将碳粉、聚四氟乙烯分散液及异丙醇水溶液混合后超声均匀，喷涂到碳纸上，最后进
行热处理，以获得所述制作有气体扩散层的碳纸。
5.根据权利要求4所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：所述热处理的温度为300～400℃，热处理的时间为20～40分钟。
6.根据权利要求2所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：所述制作有气体扩散层的碳纸在氧化锌晶种层前包括步骤：采用热压机对其进行平
整化，其中，热压机的压力20～80kg/cm2。
7.根据权利要求1所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：步骤1)中，采用溶胶法或磁控溅射法于所述基底上制备氧化锌晶种层。
8.根据权利要求7所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：所述溶胶法包括：
第一步，配制预设浓度的乙酸锌甲醇溶液，并置于将其加热至预设温度；
第二步，配制预设浓度的氢氧化钠甲醇溶液，并滴入至所述乙酸锌甲醇溶液中，搅拌后
得到氧化锌晶种溶胶；
第三步，将得到的氧化锌晶种溶胶以旋转涂覆的方式或基底直接浸泡在氧化锌晶种溶
胶中的方式制作到基底上，并进行热处理以在基底表面形成氧化锌晶种层。
9.根据权利要求8所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：所述乙酸锌甲醇溶液的浓度为0.01～0.02M，氢氧化钠甲醇溶液的浓度为0.02～
0.03M。
10.根据权利要求8所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：所述预设温度为50～60℃，搅拌时间为2～3小时。
11.根据权利要求8所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：所述基底在氧化锌晶种溶胶中浸泡的时间为4～6分钟；所述旋转涂覆时的转速为
2000～4000转/分钟。
12.根据权利要求8所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特征
在于：所述磁控溅射法包括：选用氧化锌铝作为靶材，并在预设功率下溅射预设时间后，进
行热处理，以在基底上得到氧化锌晶种。
13.根据权利要求12所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特
征在于：所述预设功率为50～150W，预设时间为30～120秒。
14.根据权利要求8所述的基于贵金属空心管阵列的有序化膜电极的构筑方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨辉，王国樑，雷林峰，邹志青，邹亮亮，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31