催化层及其制备方法、膜电极和燃料电池技术

本申请提供一种催化层及其制备方法、膜电极和燃料电池，制备方法包括：制备第一浆料，第一浆料包括石墨烯基催化剂，石墨烯基催化剂包括石墨烯基材以及负载于石墨烯基材表面的催化材料；制备第二浆料，第二浆料包括导电材料；在基材的表面交替施加第一浆料和第二浆料，分别制备得到石墨烯层和导电支撑层，石墨烯层和导电支撑层交替层叠得到催化层。本申请采用交替涂覆的方式制备催化层，利用导电材料作为石墨烯层之间的支撑结构，避免邻近两层石墨烯层之间发生堆叠问题。之间发生堆叠问题。之间发生堆叠问题。

【技术实现步骤摘要】
催化层及其制备方法、膜电极和燃料电池


[0001]本申请涉及燃料电池
，特别是涉及一种催化层及其制备方法、膜电极和燃料电池。

技术介绍

[0002]燃料电池的最核心零部件是膜电极，催化反应在膜电极的催化层中发生，石墨烯基载Pt基催化剂在水系氧还原(ORR)环境中具有优异的性能，但将其作为催化剂制备成膜电极催化层时，石墨烯片层容易发生堆叠的问题，导致催化层孔隙度低、接触电阻升高、传质电阻升高，进而发生导电性不佳和Pt的利用率低下等问题。甚至堆叠现象达到一定程度，石墨烯基载Pt基催化剂会发展为石墨，完全失去石墨烯载体大比表面积、良好导电性和多活性位点等其他优异性能，无法重现在水系ORR环境中的催化剂活性，严重影响膜电极性能。
[0003]因此，需要寻找一种能够避免石墨烯片层堆叠的催化层，成为目前迫切需要解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要提供一种催化层及其制备方法、膜电极和燃料电池，利用导电材料作为石墨烯层之间的支撑结构，避免邻近两层石墨烯层之间发生堆叠问题。
[0005]第一方面，本申请提供一种催化层的制备方法，所述制备方法包括：
[0006]制备第一浆料，所述第一浆料包括石墨烯基催化剂，所述石墨烯基催化剂包括石墨烯基材以及负载于所述石墨烯基材表面的催化材料；
[0007]制备第二浆料，所述第二浆料包括导电材料；
[0008]在基材的表面交替施加所述第一浆料和所述第二浆料，分别制备得到石墨烯层和导电支撑层，所述石墨烯层和所述导电支撑层交替层叠得到所述的催化层。
[0009]在一些实施方式中，各层所述石墨烯层的厚度为10nm～50nm。
[0010]在一些实施方式中，各层所述导电支撑层的厚度为20nm～100nm。
[0011]在一些实施方式中，所述石墨烯基材包括的石墨烯层数≤10层。
[0012]在一些实施方式中，所述石墨烯基材包括剥离石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和掺杂石墨烯中的至少一种。
[0013]在一些实施方式中，所述催化材料包括金属催化材料。
[0014]可选地，所述催化材料包括Pt和Pt合金中的至少一种。
[0015]在一些实施方式中，所述石墨烯基催化剂中所述催化材料的质量占比为5％～70％。
[0016]在一些实施方式中，所述导电材料包括炭黑和碳纳米管中的至少一种。
[0017]在一些实施方式中，所述导电材料的粒径为10nm～50nm。
[0018]在一些实施方式中，所述第一浆料中还包括全氟磺酸树脂。
[0019]可选地，所述第一浆料中，所述石墨烯基催化剂与所述全氟磺酸树脂的质量比为1：(0.15～0.35)。
[0020]在一些实施方式中，所述第二浆料中还包括全氟磺酸树脂。
[0021]可选地，所述第二浆料中，所述导电材料与所述全氟磺酸树脂的质量比为1：(0.15～0.35)。
[0022]在一些实施方式中，所述第一浆料中所述石墨烯基催化剂的质量体积浓度为0.1mg/mL～3mg/mL。
[0023]在一些实施方式中，所述第二浆料中所述导电材料的质量体积浓度为0.1mg/mL～3mg/mL。
[0024]在一些实施方式中，所述第一浆料中所述石墨烯基材的质量与所述第二浆料中所述导电材料的质量之比为(1～10)：1。
[0025]在一些实施方式中，所述第一浆料和第二浆料的施加方式分别独立地包括喷涂法、刮涂法、转印法和溅射法中的至少一种。
[0026]第二方面，本申请提供一种催化层，所述催化层包括交替层叠设置的石墨烯层和导电支撑层，所述石墨烯层中包括石墨烯基催化剂，所述石墨烯基催化剂包括石墨烯基材以及负载于所述石墨烯基材表面的催化材料。
[0027]第三方面，本申请提供一种膜电极，所述膜电极包括如第一方面所述催化层的制备方法制备得到的催化层，或如第二方面所述的催化层。
[0028]第四方面，本申请提供一种燃料电池，所述燃料电池包括如第三方面所述的膜电极。
[0029]与传统技术相比，本申请至少具有以下有益效果：
[0030]本申请采用石墨烯基催化剂和导电材料交替涂覆，并分别形成石墨烯层和导电支撑层，导电材料插入至邻近石墨烯层之间提供支撑力，避免邻近石墨烯层之间发生堆叠，有效保留石墨烯的性质，且能够将石墨烯基材上的催化材料暴露，提高石墨烯基催化剂中催化材料的利用率。
附图说明
[0031]图1为本申请一个实施方式中提供的催化层的截面示意图。
[0032]其中，10
‑
催化层；11
‑
石墨烯层；12
‑
导电支撑层。
具体实施方式
[0033]为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
[0034]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0035]本申请中，涉及到数值区间(也即数值范围)，如无特别说明，该数值区间内可选的数值的分布视为连续，且包括该数值区间的两个数值端点(即最小值及最大值)，以及这两个数值端点之间的每一个数值。如无特别说明，当数值区间仅仅指向该数值区间内的整数时，包括该数值范围的两个端点整数，以及两个端点之间的每一个整数，相当于直接列举了每一个整数。当提供多个数值范围描述特征或特性时，可以合并这些数值范围。换言之，除非另有指明，否则本申请中所公开之数值范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。该数值区间中的“数值”可以为任意的定量值，比如数字、百分比、比例等。“数值区间”允许广义地包括百分比区间，比例区间，比值区间等定量区间。
[0036]本申请中，“可选地”、“可选的”、“可选”，指可有可无，也即指选自“有”或“无”两种并列方案中的任一种。如果一个技术方案中出现多处“可选”，如无特别说明，且无矛盾之处或相互制约关系，则每项“可选”各自独立。
[0037]本申请中，“第一方面”、“第二方面”、“第三方面”等中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性或数量，也不能理解为隐含指明所指示的技术特征的重要性或数量。而且“第一”、“第二”、“第三”等仅起到非穷举式的列举描述目的，应当理解并不构成对数量的封闭式限定。
[0038]传统技术中，利用石墨烯基载Pt催化剂制备膜电极催化层时，采用层层涂覆催化浆料，导致石墨烯片层堆叠，甚至形成石墨，丧失石墨烯的优异性能，进而降低催化层的孔隙率以及Pt的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：制备第一浆料，所述第一浆料包括石墨烯基催化剂，所述石墨烯基催化剂包括石墨烯基材以及负载于所述石墨烯基材表面的催化材料；制备第二浆料，所述第二浆料包括导电材料；在基材的表面交替施加所述第一浆料和所述第二浆料，分别制备得到石墨烯层和导电支撑层，所述石墨烯层和所述导电支撑层交替层叠得到所述的催化层。2.如权利要求1所述催化层的制备方法，其特征在于，所述制备方法还满足如下条件中的至少一个：(1)各层所述石墨烯层的厚度为10nm～50nm；(2)各层所述导电支撑层的厚度为20nm～100nm。3.如权利要求1所述催化层的制备方法，其特征在于，所述石墨烯基催化剂满足如下条件中的至少一个：(1)所述石墨烯基材包括的石墨烯层数≤10层；(2)所述石墨烯基材包括剥离石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和掺杂石墨烯中的至少一种；(3)所述催化材料包括金属催化材料；可选地，所述催化材料包括Pt和Pt合金中的至少一种；(4)所述石墨烯基催化剂中所述催化材料的质量占比为5％～70％。4.如权利要求1所述催化层的制备方法，其特征在于，所述导电材料满足如下条件中的至少一个：(1)所述导电材料包括炭黑和碳纳米管中的至少一种；(2)所述导电材料的粒径为10nm～50nm。5.如权利要求1所述催化层的制备方法，其特征在于，所述第一浆料中还包括全氟磺酸树脂；可...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珺，杜真真，于帆，王晶，李炯利，王旭东，
申请(专利权)人：北京石墨烯技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：