银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池及制备方法技术

一种银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池及制备方法。所述一种银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池由膜电极、阳极板和阴极板组成。其中，膜电极由阴离子交换膜、钯银还原氧化石墨烯阳极催化剂层和银铜阴极催化剂层组成。本发明专利技术使用AgPd‑rGO作为阳极催化剂，低成本Ag的合金化减少了贵金属Pd的使用量；AgCu作为阴极催化剂，AgCu合金对甲酸盐燃料显示惰性，阴极不会出现混合电位；能够提高直接甲酸盐燃料电池的能源效率和功率密度；采用LDH离子交换膜作为阴离子交换膜，减少了燃料渗漏，同时降低了成本。

Silver-catalyzed Mg-Al layered hydroxide membrane formate fuel cell and its preparation method

The invention relates to a silver-catalyzed Mg-Al layered hydroxide film formate fuel cell and a preparation method thereof. The silver-catalyzed Mg-Al layered hydroxide film formate fuel cell consists of a membrane electrode, an anode plate and a cathode plate. The membrane electrode consists of an anion exchange membrane, an anodic catalyst layer for Pd-Ag reduction of graphene oxide and a silver-copper cathode catalyst layer. The invention uses AgPd_rGO as anode catalyst, and the low-cost Ag alloying reduces the use of precious metal Pd; AgCu as cathode catalyst, AgCu alloy shows inertia to formate fuel, and the cathode does not appear mixed potential; it can improve the energy efficiency and power density of direct formate fuel cell; LDH ion exchange membrane is used as anion exchange membrane to reduce fuel. Leakage, while reducing costs.

【技术实现步骤摘要】
银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池及制备方法
本专利技术属于燃料电池
，具体是一种基于银基双金属催化剂和层状氢氧化物阴离子交换膜的碱性直接甲酸盐阴离子交换膜燃料电池及其制备方法。
技术介绍
燃料电池具有能量密度高、能量转换效率高、清洁环保和适应范围广等优点，正受到越来越多的关注。直接液体燃料电池可以使用甲醇、乙醇、丙三醇、甲酸、甲酸盐、葡萄糖等燃料，具有燃料的存储、运输安全性高等优势。其中，直接甲酸盐燃料电池还具有功率密度高、抗中毒能力强和燃料可从二氧化碳直接低成本获得等优点，开始吸引人们的视线，逐渐成为一种前景广阔的燃料电池。直接甲酸盐燃料电池主要由催化剂、离子交换膜和基体材料组成。由阳极催化剂层、离子交换膜和阴极催化剂层组成的膜电极，是直接甲酸盐燃料电池的重要组件，离子交换膜和催化剂材料的设计和制备是直接甲酸盐燃料电池的核心技术。目前，直接甲酸盐燃料电池的离子交换膜材料主要为商业Nafion膜，这种全氟磺酸膜为一种阳离子交换膜，制作困难，价格昂贵，燃料渗漏率高，对于温度和含水量的要求较高，在甲酸盐燃料电池应用时需要预处理过程。目前的商业阴离子交换膜，离子电导率较低，化学稳定性和热稳定性较差，其性能还无法满足直接甲酸盐燃料电池应用过程中对离子传导率的要求。目前，直接甲酸盐燃料电池的催化剂材料主要为商业Pt和Pd基等贵金属催化剂，如PtRu阳极和PtC阴极催化剂。因Pt储量较低，价格昂贵，在阳极催化过程中易产生一氧化碳中毒，在阴极催化过程中易出现混合电位现象，已经成为制约直接甲酸盐燃料电池发展的难题。同样，PdC阳极催化剂的价格仍然很高，导致了直接甲酸盐燃料电池的价格十分昂贵，提高直接甲酸盐燃料电池的催化剂性能和降低成本是目前的研究焦点。在公开号为CN107017409A的专利技术创造中提出了一种电碱盐联产直接甲酸盐燃料电池，其采用了Nafion膜为离子交换膜，PdAu合金作为阳极催化剂，具有较高的功率密度和稳定性，但是其采用的阳离子交换膜成本较高，同时使用的PdAu催化剂价格仍然较高，限制了它的广泛应用。在公开号为CN104577160A的专利技术创造中提出了一种基于MEMS技术的微型直接甲酸燃料电池，其以微机电加工技术为基点，采用PDMS作为基体材料，简化了电池结构，实现了甲酸燃料电池的便携性。但是其采用的阳极催化剂为PtRu、阴极催化剂为PtC，均为贵金属催化剂，离子交换膜材料为Nafion膜，同样具有很高的成本，不适合广泛应用。在学术论文Prospectivedirectformatefuelcell中提出了一种直接甲酸盐燃料电池，使用PdC(负载量为4.0mg/cm2)和AgC(8.0mg/cm2)作为阳极和阴极催化剂，使用40μm厚的聚苯并咪唑基膜，实现了较高的功率密度，但是其使用的PdC阳极催化剂和聚苯并咪唑基膜价格都十分昂贵，限制了其大范围的应用。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的阳极催化剂易中毒、阴极催化剂易出现混合电位和离子交换膜燃料渗漏率高的不足，本专利技术提出了一种银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池及制备方法。所述一种银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池由膜电极、阳极板和阴极板组成。其中，膜电极由阴离子交换膜、钯银还原氧化石墨烯阳极催化剂层和银铜阴极催化剂层组成。所述阴离子交换膜是由镁铝层状氢氧化物与聚乙烯醇复合而成。其中，所述镁铝层状氢氧化物的质量分数为20和95％，聚乙烯醇的质量分数为80和5％。本专利技术提出的制备所述银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池的具体过程是：步骤1，制备镁铝层状氢氧化物：采用共沉淀法或2-甲基咪唑水热法制备镁铝层状氢氧化物：所述采用共沉淀法制备镁铝层状氢氧化物的具体过程是：称取6.4g六水合硝酸镁，溶于25mL去离子水中，称取3.14g九水合硝酸铝，溶于14mL去离子水中，将两者加热到80℃后混合，得到双金属混合溶液。称取5.3g无水碳酸钠，溶于167mL去离子水中，加热到80℃，使该无水碳酸钠溶解，得到碳酸钠溶液。在80℃下将得到的双金属混合溶液在搅拌状态下加入至得到的碳酸钠溶液中，此时出现白色沉淀。称取2.4g氢氧化钠，溶于50mL去离子水中。在80℃下将氢氧化钠溶液逐滴加入上述混合溶液中，边滴加边测量pH，直至混合溶液的pH达到10。将混合溶液继续在80℃下搅拌12h，使其老化后自然冷却。通过离心收集沉淀，用去离子水多次洗涤并测量pH，直至pH达到7。将洗涤后的白色沉淀物放入冷冻干燥机中干燥12h，研磨后得到镁铝层状氢氧化物；备用。所述采用2-甲基咪唑水热法制备镁铝层状氢氧化物的具体过程是：称取6.4g六水合硝酸镁，溶于25mL去离子水中，称取3.14g九水合硝酸铝，溶于14mL去离子水中，将二者加热到80℃后混合，得到双金属混合溶液。称取5.3g无水碳酸钠，溶于167mL去离子水中，加热到80℃，使碳酸钠溶解，得到碳酸钠溶液。称取2.0g2-甲基咪唑加入到所述碳酸钠溶液中，继续在80℃下加热并搅拌1h，得到碳酸钠和2-甲基咪唑的混合溶液。在80℃下将得到的双金属混合溶液在搅拌状态下加入至得到的碳酸钠和2-甲基咪唑的混合溶液中，此时出现白色沉淀。称取2.4g氢氧化钠，溶于50mL去离子水中。在80℃下将氢氧化钠溶液逐滴加入上述混合溶液中，直至混合溶液的pH达到10。将pH为10的混合溶液转移到Teflon内衬的高压釜中，加热到180℃后保温36h然后自然冷却，得到含有白色沉淀的悬浊液。将悬浊液通过离心收集沉淀，用去离子水多次洗涤沉淀，直至洗涤液pH达到7。将洗涤后的白色沉淀物放入冷冻干燥机中干燥12h，研磨后得到2-甲基咪唑水热工艺制备的镁铝层状氢氧化物；备用。步骤2，制备阴离子交换膜：采用浇铸法或抽滤法制备阴离子交换膜，当采用浇铸法制备阴离子交换膜时，称取0.3g镁铝层状氢氧化物，溶于15mL无水乙醇中，搅拌3h后，超声处理5h使其完全分散，得到含有镁铝层状氢氧化物的乙醇溶液。称取1.2g聚乙烯醇，溶于24mL去离子水中，加热至90℃并在保温状态下搅拌2h，使其完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液。将镁铝层状氢氧化物的乙醇溶液边搅拌边滴加到所述聚乙烯醇水溶液中，得到混合溶液。将所述混合溶液温度降至40℃并在保温状态下搅拌8h。量取0.15mL戊二醛，溶于2.85mL去离子水中，搅拌均匀后逐滴加入到所述混合溶液中。称取0.08g氢氧化钠，溶于2mL去离子水中，搅拌均匀后逐滴加入含有戊二醛溶液的混合溶液中，并在40℃下继续加热并搅拌2h，得到浇铸液。将得到的浇铸液抽真空除气10min后，浇铸在玻璃板上，在60℃下真空干燥24h，得到阴离子交换膜。当采用抽滤法制备阴离子交换膜时，称取0.095g2-甲基咪唑水热工艺制备的镁铝层状氢氧化物，溶于95mL甲酰胺中，搅拌8h后，超声处理6h使其完全分散，得到2-甲基咪唑处理的镁铝层状氢氧化物的甲酰胺溶液；称取0.005g聚乙烯醇，溶于0.5mL去离子水中，加热至90℃并搅拌2h，使其完全溶解，得到聚乙烯醇的水溶液。在90℃下将所述2-甲基咪唑水热工艺制备的镁铝层状氢氧化物的甲酰胺溶液边搅拌边滴加到所述聚乙烯醇的水溶液中后，得到混合溶液。将所述混合溶液超声处理10min，得到均匀的混合溶液。量取0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池，其特征在于，由膜电极、阳极板和阴极板组成；其中，膜电极由阴离子交换膜、钯银还原氧化石墨烯阳极催化剂层和银铜阴极催化剂层组成。

【技术特征摘要】
1.一种银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池，其特征在于，由膜电极、阳极板和阴极板组成；其中，膜电极由阴离子交换膜、钯银还原氧化石墨烯阳极催化剂层和银铜阴极催化剂层组成。2.如权利要求1所述银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池，其特征在于，所述阴离子交换膜是由镁铝层状氢氧化物与聚乙烯醇复合而成；其中，所述镁铝层状氢氧化物的质量分数为20和95％，聚乙烯醇的质量分数为80和5％。3.一种制备如权利要求1所述银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，制备镁铝层状氢氧化物：采用共沉淀法或2-甲基咪唑水热法制备镁铝层状氢氧化物：步骤2，制备阴离子交换膜：采用浇铸法或抽滤法制备阴离子交换膜，步骤3，制备阳极钯银还原氧化石墨烯催化剂：步骤4，制备阴极负载在泡沫镍上的银铜纳米合金催化剂：步骤5，组装膜电极和电池：称取钯银还原氧化石墨烯催化剂20mg，在称取的钯银还原氧化石墨烯催化剂中依次滴加0.5mL去离子水、1mL无水乙醇和50μL季铵聚砜离子聚合物溶液后，超声处理2h，使钯银还原氧化石墨烯催化剂分散，得到钯银还原氧化石墨烯催化剂溶液；将得到的钯银还原氧化石墨烯催化剂溶液均匀涂覆在裁剪好的亲水碳纸的一个表面上；将负载有银铜纳米合金催化剂的泡沫镍使用辊压机压制成薄片；对步骤2中得到的阴离子交换膜进行预处理，处理的具体过程是，称取11.2g氢氧化钾，溶于50mL去离子水中，搅拌均匀，得到氢氧化钾溶液；将所述阴离子交换膜在该氢氧化钾溶液中浸泡24h，得到经过预处理的阴离子交换膜；组装膜电极：将得到的经过预处理的阴离子交换膜裁剪为片状；该阴离子交换膜的一个表面与所述碳纸涂有催化剂的一个表面贴合，该阴离子交换膜的另一个表面与压制后的负载有银铜纳米合金催化剂的泡沫镍薄片贴合，并将碳纸和该负载有银铜纳米合金催化剂的泡沫镍薄片对正，组成膜电极的半成品；将得到的膜电极的半成品用锡纸包住，使用压片机进行热压处理，得到膜电极；热压时，压力为4MPa，热压温度为60℃，热压时间为5min；称取11.22g氢氧化钾、16.82g甲酸钾溶于50mL去离子水中，搅拌至澄清即得到燃料电池的电解液；组装电池：将得到的膜电极装入电池盒，阳极端通电解液；所述电解液的流动量为1mL/min，阴极端通氧气；所述氧气的流动量为0.2L/min；得到直接甲酸盐燃料电池。4.如权利要求3所述银催化镁铝层状氢氧化物膜甲酸盐燃料电池的方法，其特征在于，所述采用共沉淀法制备镁铝层状氢氧化物的具体过程是：称取6.4g六水合硝酸镁，溶于25mL去离子水中，称取3.14g九水合硝酸铝，溶于14mL去离子水中，将两者加热到80℃后混合，得到双金属混合溶液；称取5.3g无水碳酸钠，溶于167mL去离子水中，加热到80℃，使该无水碳酸钠溶解，得到碳酸钠溶液；在80℃下将得到的双金属混合溶液在搅拌状态下加入至得到的碳酸钠溶液中，此时出现白色沉淀；称取2.4g氢氧化钠，溶于50mL去离子水中；在80℃下将氢氧化钠溶液逐滴加入上述混合溶液中，边滴加边测量pH，直至混合溶液的pH达到10；将混合溶液继续在80℃下搅拌12h，使其老化后自然冷却；通过离心收集沉淀，用去离子水多次洗涤并测量pH...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈福义，郭龙飞，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61