一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极及制备方法技术

本发明专利技术属于燃料电池的技术领域，提供了一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极及制备方法。该方法将钛源、掺杂剂、稳定剂水浴搅拌制成混合液，然后加入助剂进行水热反应，制得凝胶状材料，再与催化剂复合热压成型，即可制得燃料电池膜电极。与传统方法相比，本发明专利技术的制备的膜电极的氧气敏感性好，对氧气的吸附能力强，阴极氧催化能力高，禁带宽度广，电子迁移率高，电能供应能力强，同时疏水性佳，性能稳定，耐久性好，并且整个工艺过程简单，安全环保，成本低，可推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极及制备方法
本专利技术属于燃料电池的
，提供了一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极及制备方法。
技术介绍
能源问题近些年一直受到广泛的关注。随着三大化石能源的不断使用，能源储备、过度开采，能源短缺和环境问题越来越严重，因此新的能源利用技术被不断的开发并利用起来，其中燃料电池便是一种潜力巨大的新能源。燃料电池作为一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。燃料电池是一种电化学的发电装置，它能直接将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应转化为电能。与传统的发电方式相比，燃料电池的能量转换是直接的，不需要经过热能转换这一环节，因此发电效率比较高。其发电原理与其它化学电源一样，在电池的阳极发生燃料的催化氧化反应，阴极发生氧化剂的催化还原反应。电解质隔开阴阳极并提供质子迁移通道，电子通过外电路驱动负载做功，这样就构成了电池负载回路。对外电路按原电池定义电池的阳极为正极，阴极为负极。由于燃料电池的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的储罐中。只要保证燃料供应，就能够持续不断的产生电能。当电池运行时，燃料和氧化剂源源不断地送入电池，电化学反应后会有反应产物和部分未反应的燃料和氧化剂排出，同时伴随有热量生成。燃料电池的主要部件包括：膜电极组件、双极板及密封元件等．膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。膜电极是燃料与氧气发生电化学反应的主要场地，膜电极的性能直接决定了燃料电池的功能和效率。因而，对基于燃料电池电化学反应原理的裂缝传感器而言，性能良好的膜电极才能有电化学反应的顺利进行，从而保证燃料电池空气阴极氧气敏感性。膜电极通常由电解质膜、与燃料直接接触的阳极和与空气（氧）接触的阴极三个部分组成，目前燃料电池所使用的膜电极主要是一种多孔道扩散型电极，制备方法主要有GDE法和直接将催化剂涂抹到电解质膜上两种方法。因膜电极在燃料电池应用中的主要作用，以及现有技术中的不足，针对膜电极的电极材料的改进和替换具有十分重要的实际意义。目前国内外在燃料电池膜电极方面已取得了一定成效。其中孙公权等人专利技术了一种高温燃料电池用阴极催化层及其制备和膜电极（中国专利技术专利申请号201210563370.7），此专利技术的膜电极的阴极催化层中除含有氧还原催化剂、粘结剂和疏水剂外，还含有磷酸和硅油，在制备膜电极过程中将其随磷酸均匀的添加到阴极催化层中可以避免因氧传质差导致的电池性能降低。另外，姜开利等人专利技术了一种燃料电池膜电极（中国专利技术专利申请号201410358042.2），其包括：一质子交换膜及分别设置在该质子交换膜相对两表面的电极，该电极由气体扩散层和催化剂组成，气体扩散层包括一碳纤维膜，该碳纤维膜包括多个碳纳米管和多个石墨片，该多个碳纳米管首尾相连且沿同一方向延伸形成一膜状，每一根碳纳米管被所述多个石墨片包围，且每一石墨片与碳纳米管的外壁之间形成一角度。可见，现有燃料电池的传统膜电极催化能力较差，并且存在疏水性较差、阴极透气性及氧气敏感性较弱，耐久性不足，制备成本高等问题，其中常用的铂电极价格昂贵，容易一氧化碳中毒降低吸附和催化能力，导致燃料电池存在供电能力较差且性能不稳定的缺陷。
技术实现思路
针对这种情况，我们提出一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极及制备方法，主要是将钛源、掺杂剂、稳定剂水浴混合搅拌，之后加入其余助剂进行包覆，进行水热反应之后真空烘干至凝胶状，然后与催化剂进行复合热压成型形成纳米态膜电极。该电极可解决传统阴极对于氧吸附能力差的问题，同时阴极具有催化氧气分解的能力，可以进一步提高阴极氧催化性能，具有替代铂电极的潜质。为实现上述目的，本专利技术涉及的具体技术方案如下：一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极的制备方法，将钛源、掺杂剂、稳定剂水浴搅拌制成混合液，然后加入助剂进行水热反应，制得凝胶状材料，再与催化剂复合热压成型，即可制得燃料电池膜电极，制备的具体步骤如下：（1）将钛源、掺杂剂、稳定剂按一定的重量份加入搅拌容器中，加热至一定温度后，恒温水浴下搅拌混合一定时间，制得混合液；（2）将步骤（1）的混合液转移至水热反应釜中，加入助剂，在高温下进行水热反应，由于掺杂产生的晶格畸变，生成的二氧化钛由锐钛矿相转变为金红石相，并被助剂包覆，然后经真空烘干制得凝胶状材料；（3）将步骤（2）所得的凝胶状材料与催化剂按一定的重量份混合并强力搅拌均匀，然后进行复合热压成型，冷却后即可得到高吸附、高催化能力的燃料电池膜电极。优选的，步骤（1）所述钛源为TiCl3溶液，溶液的质量浓度为0.15~0.2%。优选的，步骤（1）所述掺杂剂为硫脲类含硫小分子有机物，可为烯丙基硫脲、酰基硫脲、氨基硫脲或缩氨基硫脲中的一种。优选的，步骤（1）所述稳定剂为浓盐酸与浓硫酸的混合液，混合体积比为2:1。优选的，步骤（1）所述水浴温度为50~60℃，搅拌混合时间为2~3h。优选的，步骤（1）中各原料重量份为，钛源45~72重量份、掺杂剂25~50重量份、稳定剂3~5重量份。优选的，步骤（2）所述助剂为双氧水和二亚苄基山梨醇。优选的，步骤（2）中各原料重量份为，混合液82~92重量份、双氧水5~10重量份、二亚苄基山梨醇3~8重量份。优选的，步骤（2）所述水热反应的加热温度为480~520℃，反应时间为3~6h。优选的，步骤（2）所述真空烘干的温度为75~90℃，时间为20~25h。优选的，步骤（3）所述催化剂为铂-钌-碳催化剂或铁-氮-碳催化剂中的一种。优选的，步骤（3）中各原料重量份为，凝胶状材料92~97重量份、催化剂3~8重量份。优选的，步骤（3）所述热压成型的温度为350~480℃，压力为25~50MPa，冷却方式为气流冷却或循环水冷却，成型膜厚度为30~200nm。本专利技术还提供一种上述制备方法制备得到的掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极。将本专利技术制备的膜电极与镍基膜电极及铂基膜电极的电子迁移率、禁带宽度、氧吸附速度及制备成本进行对比，如表1所示，可见，本专利技术制备的膜电极氧气催化和电能释放能力强，性能稳定，且成本较低。表1：本专利技术提供了一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1.本专利技术制备的膜电极表面存在多点活性吸附位，氧气敏感性好，对氧气的吸附能力强，同时提高了阴极氧催化能力。2.本专利技术的制备的膜电极禁带宽度广，电子迁移率高，电能供应能力强。3.本专利技术的制备的膜电极疏水性佳，性能稳定，耐久性好，使用安全环保。4.本专利技术的过程易于操控，能耗低，制备成本低，适合推广应用。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但不应将此理解为本专利技术的范围仅限于以下的实例。在不脱离本专利技术上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本专利技术的范围内。实施例1将56kg质量浓度为0.18%的TiCl3溶液、40kg烯丙基硫脲、4kg体积比为2:1的浓盐酸与浓硫酸的混合液加入搅拌容器中，加热至55℃，恒温水浴下搅拌混合2.5h，制得混合液；然后取87kg的混合液转移至水热反应釜中，加入7k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，将钛源、掺杂剂、稳定剂水浴搅拌制成混合液，然后加入助剂进行水热反应，制得凝胶状材料，再与催化剂复合热压成型，即可制得燃料电池膜电极，制备的具体步骤如下：（1）将钛源、掺杂剂、稳定剂按一定的重量份加入搅拌容器中，加热至一定温度后，恒温水浴下搅拌混合一定时间，制得混合液；其中，钛源45~72重量份、掺杂剂25~50重量份、稳定剂3~5重量份；（2）将步骤（1）的混合液转移至水热反应釜中，加入助剂，在高温下进行水热反应，由于掺杂产生的晶格畸变，生成的二氧化钛由锐钛矿相转变为金红石相，并被助剂包覆，然后经真空烘干制得凝胶状材料；所述助剂为双氧水和二亚苄基山梨醇;（3）将步骤（2）所得的凝胶状材料与催化剂按一定的重量份混合并强力搅拌均匀，然后进行复合热压成型，冷却后即可得到高吸附、高催化能力的燃料电池膜电极，其中，凝胶状材料92~97重量份、催化剂3~8重量份。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，将钛源、掺杂剂、稳定剂水浴搅拌制成混合液，然后加入助剂进行水热反应，制得凝胶状材料，再与催化剂复合热压成型，即可制得燃料电池膜电极，制备的具体步骤如下：（1）将钛源、掺杂剂、稳定剂按一定的重量份加入搅拌容器中，加热至一定温度后，恒温水浴下搅拌混合一定时间，制得混合液；其中，钛源45~72重量份、掺杂剂25~50重量份、稳定剂3~5重量份；（2）将步骤（1）的混合液转移至水热反应釜中，加入助剂，在高温下进行水热反应，由于掺杂产生的晶格畸变，生成的二氧化钛由锐钛矿相转变为金红石相，并被助剂包覆，然后经真空烘干制得凝胶状材料；所述助剂为双氧水和二亚苄基山梨醇;（3）将步骤（2）所得的凝胶状材料与催化剂按一定的重量份混合并强力搅拌均匀，然后进行复合热压成型，冷却后即可得到高吸附、高催化能力的燃料电池膜电极，其中，凝胶状材料92~97重量份、催化剂3~8重量份。2.根据权利要求1所述一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述钛源为TiCl3溶液，溶液的质量浓度为0.15~0.2%。3.根据权利要求1所述一种掺杂金红石相TiO2燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述掺杂剂为硫脲类含硫小分子有机物，选用烯丙基硫脲、酰基硫脲、氨基硫脲或...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51