催化层及其制备方法和燃料电池技术

本发明专利技术公开一种催化层及其制备方法和燃料电池，催化层的组分包括：氧化剂、模板、表面活性剂、导电聚合物单体、金属前驱体；催化层的制备方法包括以下步骤：S1、将所述模板与所述氧化剂混合，得第一混合液；S2、将所述第一混合液和所述表面活性剂混合，得第二混合液；S3、将所述第二混合液与所述导电聚合物单体混合，得水凝胶；S4、将所述水凝胶和所述金属前驱体混合，静置还原，得负载有金属颗粒的水凝胶；S5、将所述负载有金属颗粒的水凝胶清洗、冷冻干燥，得催化层；燃料电池包括上述催化层，本发明专利技术提供的催化层可以实现对导电聚合物管径的调整，有效提高了三相传输效果。有效提高了三相传输效果。有效提高了三相传输效果。

【技术实现步骤摘要】
催化层及其制备方法和燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及催化层及其制备方法和燃料电池。

技术介绍

[0002]传统燃料电池膜电极是将催化剂配置成浆料，然后利用喷涂和涂布的方法进行制备。这类方法使得催化层出现堆叠，在催化过程中导致气、液、固三相传质更加困难；同时，大量的贵金属催化剂颗粒在堆叠后出现催化死区，起不到有效催化的作用，导致贵金属的浪费。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的是提出一种催化层及其制备方法和燃料电池，旨在解决催化层三相传输困难的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提了一种催化层，所述催化层的组分包括：氧化剂、模板、表面活性剂、导电聚合物单体、金属前驱体。
[0005]可选地，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；和/或，所述模板为甲基橙。
[0006]可选地，所述氧化剂与所述模板的的物质的量的比为（4~20）：1；和/或，所述表面活性剂与所述模板的物质的量的比为1：（10~1500）；和/或，所述导电聚合物单体和所述氧化剂的物质的量的比为（1~2）：（10~1）。
[0007]可选地，所述氧化剂为过硫酸铵、硫酸铁和硫酸铜中的一种；和/或，所述导电聚合物单体为吡咯、苯胺、噻吩、吲哚中的一种或多种；和/或，所述金属前驱体包括铂、钌、银的可溶化合物中的一种或多种。
[0008]可选地，还包括还原剂，所述还原剂为硼氢化钠、甲醛、水合肼或甲酸。
[0009]本专利技术提供一种催化层的制备方法，包括以下步骤：S1、将所述模板与所述氧化剂混合，得第一混合液；S2、将所述第一混合液和所述表面活性剂混合，得第二混合液；S3、将所述第二混合液与所述导电聚合物单体混合，得水凝胶；S4、将所述水凝胶和所述金属前驱体混合，静置还原，得负载有金属颗粒的水凝胶；S5、将所述负载有金属颗粒的水凝胶清洗、冷冻干燥，得催化层。
[0010]可选地，步骤S3中将所述第二混合液与所述导电聚合物单体混合，得水凝胶，包括：所述第二混合液与所述导电聚合物单体混合，得第三混合液，将所述第三混合液静置超过24h后，用水和酒精静置清洗，得所述水凝胶。
[0011]可选地，步骤S4中向所述水凝胶中加入所述金属前驱体，静置还原，得负载有金属颗粒的水凝胶，其中，静置的时间超过24h。
[0012]可选地，步骤S4中向所述水凝胶中加入所述金属前驱体，静置还原，得负载有金属
颗粒的水凝胶，其中，还原时使用还原剂。
[0013]本专利技术提供一种燃料电池，其特征在于，包括所述的催化层。
[0014]本专利技术提供的技术方案中提供一种催化层及其制备方法和燃料电池，所述氧化剂、所述模板、所述表面活性剂以及所述导电聚合物单体混合反应得导电聚合物，以所述导电聚合物作为基底制备出导电聚合物水凝胶，将所述金属前驱体负载在所述导电聚合物水凝胶上的表面，得到催化层。本专利技术通过控制所述表面活性剂的用量，可以实现对所述导电聚合物管径大小的调整，有效提高了三相传输效果，并且通过本专利技术金属颗粒能够均匀的负载在所述导电聚合物水凝胶上，有效降低了贵金属的用量，本专利技术提供的催化层价格低廉。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0016]图1为本专利技术实施例8至12和对比例1提供的水凝胶的SEM图（扫描电子显微镜图）；图2为本专利技术对比例1提供的水凝胶的TEM图（透射电子显微镜图）；图3为本专利技术对比例1提供的催化层的SEM图；图4为本专利技术对比例1提供的催化层的XRD图（X射线衍射图）；图5为本专利技术对比例1提供的CV图（催化层配置成浆料测试其循环伏安（CV）电化学性能图）；图6为本专利技术实施例13提供的水凝胶的SEM图；图7为本专利技术实施例13提供的催化层的不同形状图；图8为本专利技术实施例13提供的催化层的SEM图。
[0017]注：图1中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别对应对比例1、实施例8、9、10、11、12制备出的水凝胶。
[0018]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0019]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]传统燃料电池膜电极是将催化剂配置成浆料，然后利用喷涂和涂布的方法进行制
备。这类方法使得催化层出现堆叠，在催化过程中导致气、液、固三相传质更加困难；同时，大量的贵金属催化剂颗粒在堆叠后出现催化死区，起不到有效催化的作用，导致贵金属的浪费。
[0021]为了解决上述问题，本专利技术提供一种催化层，所述催化层的组分包括：氧化剂、模板、表面活性剂、导电聚合物单体、金属前驱体。
[0022]本实施例中，所述氧化剂、所述模板、所述导电聚合物单体混合获得导电聚合物，所述表面活性剂加入量的多少可以控制所述导电聚合物的管径，在一定范围内，加入的所述表面活性剂的用量越多，所述导电聚合物的管径越小，其比表面积以及长径比越大，通过一系列的反应将所述导电聚合物制备成导电聚合物水凝胶，相较于所述导电聚合物，所述导电聚合物水凝胶具有三维气孔结构，比表面积大、负载位点多，传质能力强，可避免不必要的堆叠和团聚，增加了附着位点，将所述金属前驱体加入所述导电聚合物水凝胶中之后，静置还原可得到负载有金属颗粒的导电聚合物水凝胶，金属颗粒能够均匀的负载在所述导电聚合水凝胶上，然后冷冻干燥制成所述催化层后，降低了三相传质的难度。
[0023]本实施例中，并不具体限制所述氧化剂、模板、表面活性剂、导电聚合物单体以及金属前驱体的具体材料，其中，所述氧化剂可以是过硫酸铵、硫酸铁、硫酸铜等的其中一种；所述模板可以是甲基橙、脂质纤维、环糊精、多孔硅铝酸盐MCM
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41等的其中一种；所述表面活性剂可是十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基硫酸钠、硬脂酸钠、十二烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、甲基二牛脂酰乙基
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羟乙基硫酸甲酯铵、N
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甲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化层，其特征在于，所述催化层的组分包括：氧化剂、模板、表面活性剂、导电聚合物单体、金属前驱体。2.如权利要求1所述的催化层，其特征在于，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；和/或，所述模板为甲基橙。3.如权利要求1所述的催化层，其特征在于，所述氧化剂与所述模板的物质的量的比为（4~20）：1；和/或，所述表面活性剂与所述模板的物质的量的比为1：（10~1500）；和/或，所述导电聚合物单体和所述氧化剂的物质的量的比为（1~2）：（10~1）。4.如权利要求1所述的催化层，其特征在于，所述氧化剂为过硫酸铵、硫酸铁和硫酸铜中的一种；和/或，所述导电聚合物单体为吡咯、苯胺、噻吩、吲哚中的一种或多种；和/或，所述金属前驱体包括铂、钌、银的可溶化合物中的一种或多种。5.如权利要求1所述的催化层，其特征在于，还包括还原剂，所述还原剂为硼氢化钠、甲醛、水合肼或甲酸。6.如权利要求1
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5任一项所述的催化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将所述模板与所述氧化剂混合，得第一混合液...

【专利技术属性】
技术研发人员：张创，程浩，贾志勇，邓利军，姚鹏华，张琎，程金铭，
申请(专利权)人：湖北文理学院，
类型：发明
国别省市：