一种应用于一体式可再生燃料电池双效氧电极的催化剂浆料及其制备方法，其催化剂为担载型复合纳米粒子，并且由导质子聚合物原位修饰。作为载体的金属纳米粒子具有催化氧还原功能，于其上担载的金属纳米粒子具有催化氧析出功能，其与催化剂的质量之比符合构建一体式可再生燃料电池双效氧电极催化层对二者比例的要求，为０．０２～１∶１，反应产物经去除杂质离子及有机副产物后，可直接用来制备一体式可再生燃料电池双效氧电极催化层。所制备的催化剂粒子平均粒径为２～４ｎｍ，应用于一体式可再生燃料电池双效氧电极催化层，取得了优良的电池性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及储能电池，具体说是一种用于一体式可再生燃料电池双效氧电极的催化剂浆料。
技术介绍
空间技术对于国家的综合实力及国际地位具有深远的影B向，因此空间技术的研究与开发已被世界各国高度重视。高度安全可靠的能源系统是保证空间站、卫星等空间飞行器正常运行的重要因素。目前均采用太阳能电池作为空间飞行器的主力电源，配以空间可再生能源作为储能系统提供空间飞行器在背日状态下的能源需要。 科学家对现有的多种可用于空间可再生能源系统的技术方案进行了对比研究，认为与Li离子、Ni/MHx、 Ni/Cd等可充放电池比较，作为新型的可再生能源，可再生燃料电池(RFC)的比能量可达400Wh kg—1以上，且具有使用中无自放电，无放电深度及电池容量限制的优点。当作为空间可再生能源系统使用时，产生的高压^、02不仅可用于空间站及卫虽的姿态控制，还可以用于宇航员的生命保障，另外，储能物质又是极为安全廉价的纯水。因此，美国等发达国家非常重视RFC技术的研究开发，并将RFC技术视为今后空间可再生能源技术的重要发展方向之一。 可逆式再生燃料电池(URFC)是在同一组件上既可以实现燃料电池(FC)功能又可以实现水电解(WE)功能的RFC系统，执行FC功能时，URFC实现氢氧复合并向外输出电能，执行WE功能时，URFC在外加能量的条件下将水电解为氢气和氧气，实现储能的目的，这种方式可以最大限度地提高RFC系统的体积比和质量比功率及比能量，是RFC中最先进的技术。从长远来看，为满足空间飞行器小型化、大功率和长时间工作的需要，发展可以实现更高比能量的URFC是RFC系统发展的必然趋势。URFC的开发对于我国的航空航天和国防事业以及提升我国空间电源的技术水平具有非常重大的意义。 目前，一体式可再生燃料电池双效氧电极中常用的催化剂为氧还原催化剂和氧析出催化剂的机械混合物，例如，钼与二氧化铱的机械混合物。由于所采用的催化剂均为非担载型催化剂，在微观上，氧还原催化剂和氧析出催化剂均以团聚体的形式存在，普通的超声振荡方式无法使团聚体充分分散，因此，二者之间只能达到团聚体级别上的混合。这样，造成单一功能的氧还原催化剂和氧析出催化剂在催化层空间上的不连续分布，对于任意一种催化剂来讲，其无法充分占据整个催化层空间，从而降低了催化剂的利用率。同时，当以氧化物作为氧析出催化剂时，由于其导电性相对于Pt较差，催化剂的不均匀混合也增大了整个催化层的内阻。上述问题的存在降低了 URFC燃料电池及水电解性能。 为了解决上述问题，T. IOROI等人以Pt黑为担载体制备了 Ir02/Pt，Yangjian Zhang等人以Pt为担载体制备了 Ru02_lr02/Pt，均在一定程度上提高了 Pt与氧化物的混合程度，从而提高了 URFC的燃料电池及水电解性會g。而在以氧化物为担载体方面，Wenli Yao等人以十二烷基苯磺酸钠为保护剂，硼氢化钠为还原剂，制备了 Pt/Ir02，其中Pt的质量份数为40%，同Pt黑与Ir02的机械混合物相比，氧析出活性得到了提高，但氧还原活性有所下降。 上述几种方法中，作为载体的催化剂均以团聚体的形式存在，比表面积较低，不利于所担载的纳米粒子在其表面均匀分散，所得到的产物中，担载的组分以团聚体的形式分布于作为载体的粒子团聚体表面，故所得到的催化剂并非真正意义上的担载型催化剂，只是在一定程度上提高了两种催化剂混合的均一程度。
技术实现思路
为了提高一体式可再生燃料电池双效氧电极的催化剂的活性，从而提高电池性能，本专利技术提供了一种应用于一体式可再生燃料电池双效氧电极的催化剂浆料及其制备方法。作为载体的金属纳米粒子具有催化氧还原功能，于其上担载的纳米粒子具有催化氧析出功能，该种结构可实现氧还原催化剂与氧析出催化剂的充分混合，相对于传统的氧还原催化剂与氧析出催化剂机械混合的结构，可有效提高某一特定功能催化剂在整个氧电极催化层中分散的均匀性，同时，可以有效提高担载的纳米粒子的分散度，从而提高催化剂的利用率。通过制备工艺的改进，在添加少量保护剂的前提下，有效控制了所制备的纳米粒子的粒径，大小为2 4nm，提高了催化剂的活性比表面积，应用于一体式可再生燃料电池，取得了优良的电池性能。 为了提高作为载体的物质的比表面积，以利于担载型催化剂的制备，本专利技术以导质子聚合物为保护剂，首先制备得到了含有氧还原反应催化活剂粒子的胶体溶液，由导质子聚合物原位修饰的纳米粒子于其中均匀分散，以单个个体的形式存在，彼此不叠加，该种存在形式，可最大限度的提高其比表面积。然后，向上述溶液中加入氧析出反应催化剂的前驱体及作为保护剂的导质子聚合物，以上述氧还原催化剂的纳米粒子为晶种，通过水解反应并进一步的还原，使氧析出反应催化剂粒子附着于氧还原催化剂的纳米粒子表面，实现了二者的充分混合，最终得到了双效催化剂的纳米粒子。 在纳米粒子的制备过程中，添加保护剂可有效控制控制粒子的粒径大小，然而在后续处理过程中，通常需将表面活性剂去除， 一般通过反复清洗或者热处理实现，缺点是步骤繁琐，同时也有可能造成金属纳米粒子的团聚或粒径的增大。由于本专利技术中作为表面活性剂的导质子聚合物可直接应用于燃料电池和固体聚合物水电解池，因此，产物中的表面活性剂无需去除，产物经杂质的去除之后，可直接用来制备催化层，使整个制备过程简单快速，避免了表面活性剂去除过程所带来的种种不利的影响。 燃料电池催化层由催化剂与导质子聚合物构成，对于二者的质量之比有适当的范围要求，导质子聚合物过少，不利于质子的传导，导致子聚合物过多，易造成对催化剂粒子的包覆，从而阻碍了电子的传到，增大了催化层的内阻，同时，也降低了催化剂与反应物的接触面积，减少了其有效活性面积，降低了催化剂的利用率。通常情况下，添加保护剂的量越多，越能有效控制纳米粒子的粒径，而为了兼顾燃料电池催化层对导质子聚合物与催化剂二者质量之比的要求，所添加的导质子聚合物不能过多，本专利技术通过对制备工艺的改进，在添加少量导质子聚合物的前提下，即有效控制了所制备的纳米粒子的粒径。 在作为载体的氧还原反应催化剂的制备过程中，采用强还原剂，加快了金属离子被还原的速度，控制反应在短时间内形成大量晶核，进一步还原，得到产物。加快晶核的生成速度，提高在短时间内形成的晶核数量，即最后生成的纳米粒子的数量，在催化剂质量一定的条件下，纳米粒子数量越多，其粒径越小，因此，在添加相对少量的保护剂的条件下，即可有效的控制所制备的金属纳米颗粒的粒径，所制备的催化剂的平均粒径在2 3nm范围内。在其后的担载型催化剂的制过程中，以先期制备的胶体溶液中的氧还原反应催化剂的纳米粒子为晶核，通过水解反应，进一步于其上附着氧析出反应催化剂，最后得到导质子聚合物原位修饰的双效催化剂纳米粒子的胶体溶液。 本专利技术所述的催化剂浆料由催化剂纳米粒子、具有导质子功能的聚合物和醇水溶液组成，其中醇水溶液所占的总的质量份数为50 99. 9%，水在醇水溶液所占的质量分数为0.01-50%，其中，所述醇为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、丁二醇或丙三醇；催化剂纳米粒子由具有导质子功能的聚合物原位修饰，其中，具有导质子功能的聚合物与催化剂纳米粒子的质量之比为O. 02 1 : 1。 所述的导质子聚合物为全氟磺酸树脂、磺化聚砜类树脂、磺化本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池双效氧电极催化剂浆料，其特征在于：该催化剂浆料由催化剂纳米粒子、具有导质子功能的聚合物和醇水溶液组成，其中醇水溶液所占的质量份数为５０～９９．９％，水在醇水溶液所占的质量份数为０．０１－５０％；催化剂纳米粒子由具有导质子功能的聚合物原位修饰，其中，具有导质子功能的聚合物与催化剂纳米粒子的质量之比为０．０２～１∶１。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张华民，张益宁，马海鹏，刘波，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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