碱性介质中抗溺水气体多孔电极的制备方法技术

一种碱性介质中抗溺水气体多孔电极的制备方法，属于燃料电池和金属－空气电池技术领域。本发明专利技术是将二氧化锰催化剂、碳粉与聚四氟乙烯乳液混合后碾压制成催化层；将聚四氟乙烯乳液与乙炔黑混合后碾压制成防水层；将催化层、不锈钢网导电骨架、防水层按顺序迭合后在液压机上冷压成型，真空下烧结得到传统ＭｎＯ↓［２］／Ｃ气体多孔电极。然后将非极性富氧有机溶剂－硅油渗入到传统ＭｎＯ↓［２］／Ｃ气体多孔电极催化层和扩散层的孔隙中，干燥后得到碱性介质中抗溺水气体多孔电极。本发明专利技术具有工艺简单，成本低廉和抗溺水性能持久的优点，特别适合不宜采用辅助设施的小型化燃料电池和金属－空气电池电堆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池和金属-空气电池电极制备
，特别涉及碱性介质中抗溺水气 体多孔电极的制备方法。二
技术介绍
碱性介质中气体多孔电极即空气电极是燃料电池和金属一空气电池的正极，是制约燃料 电池和金属-空气电池应用的主要因素之一，其性能的好坏决定了电池输出功率的大小。气体 多孔电极中催化层侧与电解质接触，扩散层侧与空气(氧气)接触，空气中的氧气沿电极表 面即扩散层侧进入电极内部到达催化层，而且氧气必须在有"气-液-固"三相界面存在时才 能发生电化学氧化反应。然而实际情况却是氧气首先要溶解于液相(如电解质水溶液)中生 成溶解氧，即而进行扩散、吸附、电化学反应以及产物脱附溶解等一系列步骤。传统意义上的碱性介质中气体多孔电极一般采用聚四氟乙烯(PTFE)粘接碳粉压片制成 防水层，当采用液态电解质(如电解质的水溶液)时，在长期使用过程中气体多孔电极尤其 是其催化层必为电解质溶液所浸没，电极的孔隙至少是部分孔隙必为水所占据。 一旦电极中 含水量过多，势必造成三相界面反应区域减少，甚至会造成电极严重水淹而缺氧。另一方面， 随着电池温度的升高，氧在水中的溶解度进一步降低同样会造成氧饥饿的出现。如此将会导 致电池输出功率严重下降甚至是气体多孔电极完全失效。关于碱性介质中气体多孔电极的防水问题，中国专利CN1108007、 CN1253385、 CN124936K CN1450677以及CN2409615都对传统气体多孔电极做出了改进，然而或因电阻 较大或因孔隙较大均不能从根本上解决在长期使用过程中的液相界面向外推移和电解液渗漏 问题，其结果仍然无法避免最终的电极水淹缺氧问题。中国专利CN200510013812提供了"一 种有集流网/防水层/多层催化层结构的空气电极的制备方法"，其主要特征是从内层向外层各 催化层的厚度逐渐增加，贴近防水层的内层催化层厚度最小。该专利技术虽然对于电解液渗漏有 一定效果，但却增加了催化层厚度，导致氧气传质路径较长，进而影响电池的输出功率。三
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有传统气体多孔电极抗溺水性能的不足之处，提供一种碱性介质 中抗溺水气体多孔电极的制备方法。电极缺氧的本质是电极微孔被水阻塞供氧通道缺失所致， 如何使电极中这些微孔不为水所占据而又能确保供氧通道的畅通是本专利技术的切入点。本专利技术在电极微孔中预先加入了对氧具有较大溶解度的憎水性抗溺水剂一硅油代替孔隙作为气体的 传输通道，确保氧气的供应不会因为水的堵塞而中断，另一方面由于孔隙被硅油所占据阻止 了液相界面的向外推移，从而实现了电化学反应有效三相界面的有序化和高度稳定性，巧妙 地解决了电解液渗漏和气体多孔电极因水淹造成缺氧的一系列问题。本专利技术的目的是这样实现的 一种，其具体 方法步骤如下(1) 制备传统MnCVC气体多孔电极按二氧化锰碳粉聚四氟乙烯乳液的质量比1:6:2的比例称取二氧化锰、碳粉、聚四氟乙烯乳液，二氧化锰的含量控制在2mg/cm2，混合后加热搅拌成团状，在双辊压膜机上 将团状物碾压成厚度为0.2mm的膜制成催化层，将聚四氟乙烯与乙炔黑按3 : 2的质量比混 合后碾压制成防水层，厚度为0.4mm;将催化层、不锈钢网导电骨架、防水层按顺序迭合后 在液压机上以5MPa的压力冷压成型，最后在真空中34(TC下烧结得到传统Mn02/C气体多孔 电极，电极表观面积为4cm2。(2) 制备碱性介质中抗溺水气体多孔电极将粘度为5-100mPa's的硅油易挥发性溶剂按体积比为1 : 0.5~10超声波混合均匀，得 到硅油混合液；然后将第(1)步制备出的传统Mn02/C气体多孔电极放置在布氏漏斗上，滴 加硅油混合液于传统Mn02/C气体多孔电极上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤5 15分钟。 待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中100 170'C条件下保温10 30分钟后冷却至室温， 从而制得碱性介质中抗溺水气体多孔电极。其中易挥发性溶剂为异丙醇、四氯化碳、二氯甲烷、汽油、煤油、丙酮的其中之一；硅 油为二甲基硅油、甲基苯基硅油、甲基含氢硅油、二乙基硅油、乙基含氢硅油、甲基垸氧基 硅油的其中之一。本专利技术采用上述技术方案后，主要有以下优点1、 水淹状态下催化剂利用率高。本专利技术在传统的气体多孔电极中渗入的硅油能够牢固占 据电极中最容易被水淹的孔隙，从而在水淹状态下确保供氧通道的畅通，显著增强了氧的传 质能力，而未被硅油占据的孔隙作为液相区域，从而实现了电化学反应有效三相界面的有序 化和高度稳定性，进而在一定程度上提高了催化剂的利用率。2、 应用效果好。利用本专利技术制备的碱性介质中抗溺水气体多孔电极较之传统的气体多孔 电极抗水淹性能有了显著提高。采用由本专利技术制造的碱性介质中抗溺水气体多孔电极组装成的燃料电池及金属空气电池可用于各种便携式电子设备，如作为摄像机，笔记本电脑，电动玩具等的动力电源，亦可用 于各种诸如锌-空电池、铝-空电池等金属-空气电池。四附图说明图1为实施例1和实施例4与对比试验1的多电流阶跃曲线图。图中曲线1是传统Mn02/C气体多孔电极在电流阶跃范围为10mA~100 mA，阶跃时 间间隔60s，终止电位-1.0V (相对汞/氧化汞参比电极)，室温条件下，持续通氧于1.0mol/L 氢氧化钾溶液的电压一时间曲线。曲线2是以二甲基硅油为抗溺水剂所制得的碱性介质中抗溺水气体多孔电极在电 流阶跃范围为10mA 100mA，阶跃时间间隔60s，终止电位-1.0V(相对汞/氧化汞参比电极)， 室温条件下，持续通氧于1.0mol/L氢氧化钾溶液的电压一时间曲线。曲线3是以二乙基硅油为抗溺水剂所制得的碱性介质中抗溺水气体多孔电极在电 流阶跃范围为10mA 100mA，阶跃时间间隔60s，终止电位-1.0V(相对汞/氧化汞参比电极)， 室温条件下，持续通氧于1.0mol/L氢氧化钾溶液的电压一时间曲线。图2为实施例2和5与对比试验2的强制电流下的电位一时间曲线图。 图中曲线1是传统Mn02/C气体多孔电极在电流为10 mA，终止电位-1.0V (相对汞/ 氧化汞参比电极)，室温条件下，持续通氧于1.0mol/L氢氧化钾溶液的电压一时间曲线。曲线2是以甲基含氢硅油为抗溺水剂所制得的碱性介质中抗溺水气体多孔电极在 在电流为10mA，终止电位-1.0V(相对汞/氧化汞参比电极)，室温条件下，持续通氧于1.0mol/L 氢氧化钾溶液的电压一时间曲线。曲线3是以乙基含氢硅油为抗溺水剂所制得的碱性介质中抗溺水气体多孔电极在 在电流为10mA，终止电位-1.0V(相对汞/氧化汞参比电极)，室温条件下，持续通氧于1.0mol/L 氢氧化钾溶液的电压一时间曲线。五具体实施例方式下面结合具体实施方式，进一步说朋本专利技术。实施例1、以二甲基硅油作为抗溺水剂制备碱性介质中抗溺水气体多孔电极的具体步骤如下 (1)制备传统Mn02/C气体多孔电极按二氧化锰碳粉聚四氟乙烯乳液的质量比1:6:2的比例称取二氧化锰、碳粉、聚四氟乙烯乳液，二氧化锰的含量控制在2mg/cm2，混合后加热搅拌成团状，在双辊压膜机上 将团状物碾压成厚度为0.2mm的膜制成催化层，将聚四氟乙烯与乙炔黑按3 : 2的质量比混 合后碾压制成防水层，厚度为0.4mm;将催化层、不锈钢网导电骨架、防水层按本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碱性介质中抗溺水气体多孔电极的制备方法，具体的方法步骤包括（１）制备传统ＭｎＯ↓［２］／Ｃ气体多孔电极按二氧化锰∶碳粉∶聚四氟乙烯乳液的质量比１∶６∶２的比例称取二氧化锰、碳粉、聚四氟乙烯乳液，二氧化锰的含量控制在２ｍｇ／ｃｍ↑［２］，混合后加热搅拌成团状，在双辊压膜机上将团状物碾压成厚度为０．２ｍｍ的膜制成催化层，将６０％聚四氟乙烯与乙炔黑按３∶２的质量比混合后碾压制成防水层，厚度为０．４ｍｍ；将催化层、不锈钢网导电骨架、防水层按顺序迭合后在液压机上以５ＭＰａ的压力冷压成型，最后在真空中３４０℃下烧结得到传统ＭｎＯ↓［２］／Ｃ气体多孔电极；其特征在于：（２）制备碱性介质中抗溺水气体多孔电极将粘度为５～１００ｍＰａ.ｓ的硅油∶易挥发性溶剂按体积比１∶０．５～１０超声波混合均匀，得到硅油混合液，然后将第（１）步制备出的传统ＭｎＯ↓［２］／Ｃ气体多孔电极放置在布氏漏斗上，滴加硅油混合液于传统ＭｎＯ↓［２］／Ｃ气体多孔电极上，待其分散均匀后打开真空泵抽滤５～１５分钟；待溶剂完全渗入至电极中后在干燥箱中１００～１７０℃条件下保温１０～３０分钟后冷却至室温，从而制得碱性介质中抗溺水气体多孔电极。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏子栋，季孟波，陈四国，李莉，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]