一种甲酸盐燃料电池电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种甲酸盐燃料电池电极及其制备方法和应用，采用水热法和电沉积法合成了甲酸盐燃料电池电极。本发明专利技术制备的燃料电池电极能在碱性条件下将甲酸盐直接氧化为CO2，从而将甲酸盐的化学能转化为电能。并且该电极具有稳定的纳米线状和间隙结构，并附着有Pd纳米颗粒和/或嵌入的Pd纳米团簇颗粒，从而为甲酸盐氧化反应提供了丰富的反应活性位点；本发明专利技术提供了一种“协同解毒”策略解决Pt、Pd氢中毒(Pd/Pt

【技术实现步骤摘要】
一种甲酸盐燃料电池电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池电极材料制备
，具体涉及一种甲酸盐燃料电池阳极电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]燃料电池作为一种绿色，清洁，低排放的能量转化装置日益受到关注。在众多的燃料电池中，直接甲酸盐燃料电池(DFFCs)是家用代步车辆，便携式装置和应急电源的一种理想产品。其阳极燃料为来源广泛的甲酸钾等甲酸盐，阴极燃料为空气中的氧气，因而具有较高的安全性和应用价值。目前，直接甲酸盐燃料电池的阴极氧还原电极的开发已取得突破性进展，已有很多商业化产品。但是，由于其关键催化成分Pd或Pt极易氢中毒失活，且该中毒过程反应机制复杂无法避免，因而使其开发却进展缓慢，且使用寿命普遍偏低。因此，发展甲酸盐燃料电池的一个关键点是生产出具有高耐久性和活性的甲酸盐燃料电池阳极电极。

技术实现思路

[0003]为了解决现有直接甲酸盐燃料电池的电极容易氢中毒、使用寿命低的问题，本专利技术的目的之一是提供一种阳极甲酸盐氧化电池电极，以解决现有技术中存在的问题。
[0004]基于此，本专利技术从外部“协同”的角度，设计了一种“协同解毒”策略解决Pt、Pd氢中毒(Pd/Pt
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)问题，提升阳极甲酸盐氧化电极的使用寿命。即采用泡沫钛表面TiO2和CuFe2O4产生高氧化活性的*OH协同氧化Pd/Pt
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释放Pt和Pd活性位，从而使Pt和Pd恢复活性继续工作。因此，该申请从设计理念，材料结构方面及应用效果均区别于以往案列。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种阳极甲酸盐氧化电池电极，该燃料电池电极包括：表面为金红石TiO2的多孔泡沫钛，其内部为具有导电钛作用的多孔泡沫钛，外部表面为金红石结构的TiO2；CuFe2O4纳米线，其原位生长于TiO2表面；Pd纳米颗粒，Pd纳米颗粒附着在CuFe2O4纳米线表面或间隙中。
[0006]本专利技术的有益效果为：本专利技术中的Ti/TiO2/CuFe2O4/Pd复合结构体系，使复合材料产生了单独Ti，TiO2，CuFe2O4，Pd无法实现的协同解毒增强耐久性的功能，同时内部的多孔泡沫钛还有利于提高CuFe2O4和Pd的负载量，起到减少电子传输阻力的作用。因此，本专利技术中的阳极甲酸盐氧化电池电极具有很好的甲酸盐氧化活性和耐久性。
[0007]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：
[0008]进一步，调整泡沫钛表面TiO2厚度至10
‑
100nm，CuFe2O4纳米线层的覆盖度为100～200 nm。所述CuFe2O4纳米线直径为10
‑
20nm，长度为10
‑
500um。
[0009]采用上述进一步技术方案的有益效果为：该厚度的TiO2和CuFe2O4纳米线层可在确保协同作用的同时，降低催化反应过程中Pd表面反应电荷到内部金属钛的传输距离，提升了电极整体性能；该厚度的TiO2和CuFe2O4纳米线层还可有效降低反应过程中表面催化剂脱落的风险。
[0010]进一步，提升贵金属Pd纳米颗粒的分散度至0.05
‑
0.01mg/cm2，减少Pd用量，降低 Ti/TiO2/CuFe2O4/Pd的成本
[0011]进一步，将现有块状多孔钛基底替换为纳米线状多孔Ti片，减少基底用料。
[0012]本专利技术的目的之二是提供燃料电池电极的制备方法，所述燃料电池电极通过电沉积和水热法原位生产，从内至外Ti、TiO2、CuFe2O4和Pd之间依次形成三种界面，包括Ti/TiO2、 TiO2/CuFe2O4和CuFe2O4/Pd两相界面。包括以下步骤：
[0013]步骤1、多孔泡沫钛表面预处理；
[0014]将预处理后的多孔泡沫钛置于氧气饱和的6M KOH溶液进行电化学氧化，氧化时间3小时，负载电势为2V，电极体系为三电极体系，包括Pt对电极，Hg/HgO参比电极和多孔泡沫钛工作电极。
[0015]步骤2、CuFe2O4覆盖步骤1制得的多孔泡沫Ti/TiO2；
[0016]将步骤1制得的多孔泡沫Ti/TiO2置于前驱液中并进行水热反应，反应结束后依次经清洗和干燥后获得前驱体；其中，前驱液包括硝酸铜、硝酸铁和尿素；水热反应后，经清洗和干燥后获得多孔泡沫Ti/TiO2/CuFe2O4电极基底。
[0017]步骤3、燃料电池电极的制备；
[0018]将步骤2中获得的Ti/TiO2/CuFe2O4电极基底置于PdCl2溶液中进行，电化学沉积，反应清洗后获得Ti/TiO2/CuFe2O4/Pd复合电极。
[0019]本专利技术的有益效果为：使用上述方法(电化学氧化法，水热法和电沉积法)依次使多孔泡沫钛、铁酸铜和Pd形成功能层，即最内层的金属钛，次内层TiO2，次外层CuFe2O4和最外层Pd。这种逐级处理的方法组合，可使每个层级功能化，而且各功能化表面在制备过程中相互独立，没有相互干扰。采用这种逐级功能化的方法形成的CuFe2O4纤维和多孔泡沫钛复合基体，具有较大空隙，可确保电解液的进入，增加电极比表面积，确保催化剂，反应物和电解液三相界面的形成；同时增加甲酸盐氧化催化剂的表面活性位，优化电极的功能化结构，提升Pd的利用率降低贵金属使用成本。
[0020]进一步，步骤1中所述氢氧化钾溶液浓度为2
‑
10mol，负载电压为3
‑
5V，时间为4
‑
10h。
[0021]进一步，步骤2中水热反应的条件均为：反应温度为120～150℃、反应时间为8～20h。
[0022]进一步，步骤1中硝酸铜和硝酸铁的摩尔比为(1：9)～(9：1)；所述前驱液中每100mL 的水加入0.5～1.2g尿素。
[0023]进一步，步骤3中的前驱液PdCl2浓度为10
‑
200mmol。
[0024]本专利技术的目的之三是将目的之一中的燃料电池电极在作为甲酸盐燃料电池的阳极电极方面的应用。其独特功能，即多孔泡沫钛内部的钛金属提供导电作用，确保反应过程中的电子传导；表面TiO2与CuFe2O4形成的复合层，具有较强系统效应，可形成OH
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，促进Pd
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氧化从而解除氢中毒反应，提升使用寿命；表面Pd为催化实体，促进甲酸盐氧化反应进行。这种复合功能的实现与Ti/TiO2/CuFe2O4/Pd的独特功能化结构和系统效应密不可分。
[0025]本专利技术具有以下有益效果：
[0026]1、本专利技术制备的甲酸盐燃料电池阳极具有四层特殊的功能层，多孔泡沫钛内部的钛金属提升导电性确保反应过程中的电子传导，TiO2与CuFe2O4形成的复合层可形成OH
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，促
进 Pd
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氧化解除氢中毒反应，同时表面Pd提供充本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种甲酸盐燃料电池电极，其特征在于，所述燃料电池电极包括：表面为金红石TiO2的多孔泡沫钛，其内部为具有导电作用的多孔泡沫钛，外部表面为金红石结构的TiO2；CuFe2O4纳米线堆叠交错形成纺织结构，且CuFe2O4纳米线纺织结构之间存在间隙；所述CuFe2O4纳米线纺织结构原位生长于多孔泡沫钛表面；Pd纳米颗粒，所述的Pd纳米颗粒附着在CuFe2O4纳米线表面，和/或以Pd纳米团簇颗粒嵌入CuFe2O4纳米线纺织结构之间的间隙或其表面上，其中，所述的Pd纳米颗粒直径尺寸小于1um。2.根据权利要求1所述的一种甲酸盐燃料电池电极，其特征在于，所述多孔泡沫钛内部为Ti金属，表面为一层TiO2。3.根据权利要求1所述的一种甲酸盐燃料电池电极，其特征在于，所述CuFe2O4纳米线直径为10
‑
20nm，长度为10
‑
500um。4.根据权利要求1所述的一种甲酸盐燃料电池电极，其特征在于，所述Pd纳米颗粒形成在CuFe2O4纳米线纺织结构之间的间隙或其表面上，其质量分布为：0.5mg/cm2。5.根据权利要求1到4任一项所述的一种甲酸盐燃料电池电极的制备方法，其特征在于，所述燃料电池电极通过电沉积和水热法原位生长，从内至外Ti、TiO2、CuFe2O4和Pd之间依次形成三种界面，包括Ti/TiO2、TiO2/CuFe2O4和CuFe2O4/Pd两相界面。6.权利要求5所述的一种甲酸盐燃料电池电极的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小强，姜文煌，黄林，冯威，李黎，宋薇薇，姜为，黄彦彦，韩杨兵，陈小军，雍朝友，
申请(专利权)人：成都大学，
类型：发明
国别省市：