一种氧还原电极结构及其制造方法技术

一种氧还原电极的结构及制造方法，包括电极基体和与该电极基体连接的导电连接端，所述氧还原电极的表面催化剂层，是由电极基体的过渡金属基体外表面的原子直接原位转变而成的过渡金属化合物层。采用控制气氛热处理的方法、CVD方法、熔融盐处理的方法、水热反应的方法、电解的方法、磁控溅射的方法，形成过渡金属化合物层。本发明专利技术的氧还原电极的表面催化剂层具有高度稳定的结构，与过渡金属基体之间具有非常牢固的结合，这保证了氧还原电极的长寿命和效能。和效能。和效能。

【技术实现步骤摘要】
一种氧还原电极结构及其制造方法


[0001]本专利技术属于能源技术及材料
，特别涉及一种氧还原电极的结构及制造方法。
[0002]技术背景 氧还原电极上发生的是氧气分子的还原反应，其中的催化剂能够催化电极上的氧还原反应。氧还原电极在电池及膜电极领域有着广泛应用。由于使用过程中的氧气很多情况下来自空气中的氧气，故氧还原电极也称为空气电极。传统的氧还原电极结构包括疏水透气层、集流体和催化层，其中，催化层为含有催化剂粉体、导电材料(通常为碳材料)粉体、疏水材料的复合材料层，疏水透气层为含有导电材料粉体末和疏水材料的复合材料层，集流体为导电金属网。在长时间的放电或循环充放电过程中，催化层内的催化剂粉体和导电材料粉体容易发生脱落，同时催化层过厚导致内阻较大，电子转移速率减缓，减低氧还原电极的性能。疏水透气层因含有导电材料粉体，易于渗液，降低氧还原电极的寿命。由于疏水透气层和催化层均通过其中导电材料粉体实现电子传导，导电材料粉体之间的电子转移速率缓慢，也不利于氧还原电极性能的提高。
[0003]中国专利技术专利申请“空气电极及其制备方法和应用”（CN201911211905.2）提出了一种空气电极的制备方法，其制造步骤包括：1)利用碳粉、工业酒精及聚四氟乙烯（PTFE）乳液制备气体扩散浆料；2)在集流体一侧使气体扩散浆料形成气体扩散膜；3)利用碳粉、工业酒精、催化剂、造孔剂及PTFE乳液制备催化浆液，其中造孔剂选自草酸铵、碳酸氢铵、聚乙二醇200、聚乙烯醇中的任一种；4)在集流体另一侧使催化浆液形成催化膜；5)将两侧分别有气体扩散膜和催化膜的集流体进行烧结，制得空气电极，该空气电极具有较高的孔隙率、较长的电极寿命、较优的电性能。另，本专利技术还提供了一种由上述空气电极的制备方法所制得的空气电极及该空气电极在膜电极领域的应用。可以看出，该专利申请提出的空气电极由集流体及分别位于集流体两侧的气体扩散膜和催化膜构成。气体扩散膜中的碳粉以及催化膜中的碳粉和催化剂粉体都是被包裹在PTFE乳液形成的网络结构中。在长时间的放电或循环充放电过程中，其催化膜内的催化剂粉体和碳粉容易发生脱落，同时催化层过厚导致内阻较大，电子转移速率减缓，这些都降低氧还原电极的性能。疏水透气层因含有导电材料粉体，易于渗液，也降低氧还原电极的寿命。由于疏水透气层和催化层均通过其中导电材料粉体实现电子传导，导电材料粉体之间的电子转移速率缓慢，也不利于氧还原电极性能的提高。
[0004]中国专利技术专利申请（CN202010004690.3）提出了一种金属空气电池用空气电极及其制备方法。将金属有机骨架材料与氮源小分子混合，使氮源小分子吸附在金属有机骨架内；然后在氮气氛围下进行高温碳化处理，最后进行酸处理去除金属粒子，得到氮掺杂多孔碳材料；将多孔碳材料配成浆料，涂覆于导电基底表面，得到金属空气电池用空气电极。将所述氮掺杂多孔碳与粘结剂按预设质量比混合均匀，得到导电浆料；然后将导电浆料喷涂到导电基底上，再在基底上压制一层聚四氟乙烯薄膜，得到空气电极。氮掺杂多孔碳材料可以催化电极上的氧还原反应，多孔碳材料还具有导电功能。因此，其催化层由氮掺杂多孔碳
与粘结剂混合而成并附着在导电基底上。由于粘结剂不具有导电性能，导致由氮掺杂多孔碳与粘结剂混合构成的催化层的导电性差，降低空气电极的性能。在长时间的放电或循环充放电过程中，其催化膜内的氮掺杂多孔碳粉容易与粘结剂分离发生脱落，也降低空气电极的性能。聚四氟乙烯薄膜具有很好的疏水性能，但透气性较差，不利于空气电极性能的提高。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术的不足，本专利技术提出了一种氧还原电极的结构，包括电极基体和与该电极基体连接的导电连接端。所述氧还原电极的表面催化剂层，是由电极基体的过渡金属基体外表面的原子直接原位转变而成的过渡金属化合物层。
[0006]进一步地，实现所述原子直接原位转变为过渡金属化合物的方法，包括控制气氛热处理的方法、或者CVD方法、或者熔融盐处理的方法、或者水热反应的方法、或者电解的方法、或者磁控溅射的方法。
[0007]所述电极基体包括仅用过渡金属制成的过渡金属基体的结构，或者是过渡金属基体附着在导电金属片上的结构，或者是过渡金属基体将导电金属片包裹于其中的结构；所述过渡金属基体的外表面全部或部分覆盖着表面催化剂层；在所述无表面催化剂层覆盖的电极基体的外表面，设置有防腐蚀层。
[0008]所述过渡金属基体的外表面呈现凹凸不平的结构；所述过渡金属层外表面凹凸不平的高度差在1nm-1mm的范围。
[0009]所述过渡金属基体外表面的表面催化层还排布有零维、或者一维、或者零维和一维兼有的纳米结构。
[0010]所述电极基体包括无孔结构和多孔结构；所述多孔结构电极基体的通孔内壁的过渡金属基体外表面附着表面催化剂层。
[0011]所述过渡金属基体是单一的过渡金属元素或者是二种或者二种以上过渡金属元素的合金，或者是过渡金属元素与其它非过渡金属元素形成的合金；所述过渡金属元素包括金属锰、金属铁、金属钴、或者金属镍。
[0012]所述催化剂层的过渡金属化合物是由过渡金属基体表面的原子直接原位转变而成的所述过渡金属的氮化物，或者过渡金属的氧化物，或者过渡金属的碳化物，或者上述的二种或者三种的混合物；所述催化剂层的厚度在1nm-100
µ
m。
[0013]在所述多孔结构电极基体的通孔一端的外表面设置透气疏水层，形成复合结构氧还原电极；透气疏水层的厚度在0.1
µ
m-2mm的范围；透气疏水层的材质为高分子材料。
[0014]为解决现有技术的问题，本专利技术还提出一种氧还原电极的制作方法，包括如下步骤： 1）构建有过渡金属基体的电极基体；2）采用控制气氛热处理的方法或者CVD方法或者熔融盐处理的方法或者水热反应的方法或者电解的方法或者磁控溅射的方法，将过渡金属基体的需要形成表面催化剂层的外表面转变为过渡金属的氮化物，或者过渡金属的氧化物，或者过渡金属的碳化物，或者上述的二种或者三种的混合物；
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3）将电极基体与导电连接端连接，若电极基体与导电连接端为一体式结构，则省略此步骤；4）对电极基体的需要防腐蚀的部位涂敷防腐蚀层，由此制造出氧还原电极。进一步地，所述“构建有过渡金属基体的电极基体”包括采用导电的过渡金属制成有孔或无孔结构的电极基体；或者采用PVD的方法、或者CVD的方法、或者电沉积方法、或者磁控溅射的方法、或者热喷涂的方法，在无孔或者多孔结构的导电金属片的内外表面需要的部位形成一层过渡金属基体，制成电极基体。
[0015]还包括，选择多孔结构的氧还原电极，在需要透过氧气的多孔结构氧还原电极的一侧表面，采用粘结剂或者热压的方法将具有透气疏水功能的高分子材料层粘附其上并实现其间紧密结合，或者在这一侧表面涂敷一层具有透气疏水功能的高分子材料涂层，由此制造出复合结构空气电极。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下几方面显著优势： 1）本专利技术的氧还原电极的催化剂是过渡金属的氮化物，或者过渡金属的氧化物，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧还原电极的结构，包括电极基体和与该电极基体连接的导电连接端，其特征在于：所述氧还原电极的表面催化剂层，是由电极基体的过渡金属基体外表面的原子直接原位转变而成的过渡金属化合物层。2.按照权利要求1所述的氧还原电极结构的制造方法，其特征在于：实现所述原子直接原位转变为过渡金属化合物的方法，包括控制气氛热处理的方法、或者CVD方法、或者熔融盐处理的方法、或者水热反应的方法、或者电解的方法、或者磁控溅射的方法。3.按照权利要求1所述的氧还原电极的结构，其特征在于：所述电极基体包括仅用过渡金属制成的过渡金属基体的结构，或者是过渡金属基体附着在导电金属片上的结构，或者是过渡金属基体将导电金属片包裹于其中的结构；所述过渡金属基体的外表面全部或部分覆盖着表面催化剂层；在所述无表面催化剂层覆盖的电极基体的外表面，设置有防腐蚀层。4.按照权利要求1或3所述的氧还原电极的结构，其特征在于：所述过渡金属基体的外表面呈现凹凸不平的结构；所述过渡金属层外表面凹凸不平的高度差在1nm-1mm的范围。5.按照权利要求1所述的氧还原电极的结构，其特征在于：所述过渡金属基体外表面的表面催化层还排布有零维、或者一维、或者零维和一维兼有的纳米结构。6.按照权利要求1所述的氧还原电极的结构，其特征在于：所述电极基体包括无孔结构和多孔结构；所述多孔结构电极基体的通孔内壁的过渡金属基体外表面附着表面催化剂层。7.按照权利要求1所述的氧还原电极的结构，其特征在于：所述过渡金属基体是单一的过渡金属元素或者是二种或者二种以上过渡金属元素的合金，或者是过渡金属元素与其它非过渡金属元素形成的合金；所述过渡金属元素包括金属锰、金属铁、金属钴、或者金属镍。8.按照权利要求1所述的氧还原电极的结构，其特征在于：所述催化剂层的过渡金属化合物是由过渡金属基体表面的原子直接原位转变而成的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王益成，
申请(专利权)人：王益成，
类型：发明
国别省市：