用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极及其方法和应用技术

本发明专利技术提供了用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极及其方法和应用，属于直接流体氨燃料电池电极制备技术领域。所述用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极包含气体扩散电极和多界面自支撑活性组分，其中气体扩散电极为泡沫镍，活性组分为采用原位聚合生长法制备得到的多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇，镍金属的负载量为一体式膜电极质量的2.0～30.0％。本发明专利技术还提供了上述膜电极的制备方法。本发明专利技术制备的一体式膜电极用于直接流体氨燃料电池展现出优异的比活性和稳定性。本发明专利技术制备工艺安全简单、原料廉价易得、制备成本低，易于实现规模化制备。易于实现规模化制备。易于实现规模化制备。

【技术实现步骤摘要】
用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极及其方法和应用


[0001]本申请属于直接流体燃料电池的一体式膜电极制备
，具体涉及用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极及其方法和应用，尤其涉及一种原位聚合生长的多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装团簇的一体式膜电极及其制备方法，属于直接流体燃料电池电极材料


技术介绍

[0002]氢能是一种理想的清洁能源。据预测，中国2050年氢能需求量可能达到6000
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104t。然而，全球氢使用量的扩大受到成本、效率、安全性等一系列因素的困扰，尤其氢气的远距离储运是行业的主要难点。在此背景下，液氨作为一种氢的衍生物，由于其储氢密度高、易于储运，同时也是一种零碳燃料，逐渐受到业界青睐。目前，日本、韩国、澳大利亚等国均已在积极布局“氨经济”。利用可再生能源电解水制氢后，通过“氢
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氨
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氢”或“氢
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氨”流程完成“绿氢”的储存和运输。尽管氢
‑
氨储运模式有望成为解决氢储运难题的最佳选项，但是要真正实施还需要克服直接流体氨燃料电池动力学缓慢的挑战：由于氨脱氢需要较高能量，导致氢
‑
氨
‑
氢
‑
电转换效率不高，限制了氨在某些场景下的扩大应用，如，道路交通领域以及氨燃料电池发电，迫切需要进一步开发低温高效安全的氨分解技术和直接氨燃料电池技术。
[0003]究其根本，电催化作为一个高度复杂的系统(成分复杂、相态复杂、反应复杂)，其性能是由内部电催化层活性组分与非活性组分(电解液、粘结剂和气体扩散电极等)间协同、竞争的最终体现。阻碍催化剂实现高效，高选择性直接流体氨燃料电池的主要因素可归纳为电催化层，气体扩散层及二者的界面特性。从动力学角度来看，催化层/气体扩散层的不良界面将引起反应物/产物扩散动力学迟滞，反应气体浓度损耗增大。且两者界面的物理粘结将导致界面接触电阻增大，不利于电子传输。故催化层/气体扩散层界面反应物浓度损耗和接触欧姆损耗成为电催化体系性能差的主要内因。而上述传统的电催化合成氨体系中，催化层通常由粉末状电催化剂与高分子粘结剂混合而成，这将阻碍氨气的传输与扩散，造成电催化反应物的供给不足，氨气浓度损耗增大，且界面接触不良易造成欧姆损耗，最终导致能量密度的降低。另外，常规的气体扩散层通常由碳纸、碳布、泡沫状金属等组成，虽已规模化应用，但其内部孔道单一，无法对反应气体和水系电解液中的质子传输进行科学的流场调控，难以高效规避有毒物质的毒害，导致电极的失活，实际并不适用于高氨浓度和长循环稳定性的直接流体氨燃料电池体系。上述问题表明优化调控催化层/气体扩散层界面，降低界面浓度损耗和欧姆损耗，实现氨/OH
‑
的特异性传输对直接流体氨燃料电池能量密度的提升扮演着至关重要的角色。显然，仅从传统的催化材料设计角度难以高效解决上述问题，需探索新的电催化科研范式，从集成器件的顶层设计出发，设计一种既可高效富集传输氨气又能选择性传输阴离子OH
‑
的新型一体式膜电极，实现新一代高功率、高稳定性直接流体氨燃料电池，填补这一领域空白。
[0004]与常规的负载型纳米颗粒催化剂相比，以泡沫镍为气体扩散电极，原位聚合生长
法制备得到的多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇为活性物质，组成的一体式膜电极，可以高效富集和传输氨气，促进从氨气裂解到氧化。一体式膜电极具有金属分散性高、尺寸大、制备简单、金属利用率高等优点，而且原位构筑结构有利于减小界面阻抗和调控反应物选择性吸附，可以极大的调变膜电极的催化活性或稳定性。

技术实现思路

[0005]本申请提供了用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极及其方法和应用，该膜电极可作为用于在室温环境反应条件下的高效直接流体氨燃料电池电极，其不仅具有明显高于钴团簇、钼团簇和氮掺杂碳纳米管为活性物质膜电极的催化活性，而且具有非常高的稳定性。
[0006]一种用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极，包含，气体扩散电极和多界面自支撑活性组分；其中，所述气体扩散电极为泡沫镍；所述活性组分为采用原位聚合生长法制备得到的多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇。
[0007]优选的，所述活性组分镍团簇的负载量为2.0～30.0％，其中，所述活性组分的质量以活性元素镍的质量计算。
[0008]优选的，其特征在于，包括：
[0009]以泡沫镍为载体，采用化学交联原位聚合生长法，得到多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇预膜电极；
[0010]将所述多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇预膜电极样品在惰性气氛下进行焙烧，得到所述用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极。
[0011]优选的，包括：
[0012]将六水合硝酸镍溶于去离子水中，随后置入三聚氰胺和瓜尔胶，室温静置一段时间，冷冻干燥，得到金属交联前驱体；
[0013]将上述氮掺杂碳纳米片前驱体焙烧，得到所述氮掺杂碳纳米片载体；
[0014]将上述载体进行多次酸浸和去离子水冲洗，真空干燥一段时间，得到多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇膜电极。
[0015]优选的，，所述载体反应条件包括在室温下(20～40℃)下溶解反应物和静置，静置时间为12～72小时，所得到的金属交联前驱体焙烧温度为700～1000℃，气氛为氩气或氮气，焙烧时间1～4小时。
[0016]优选的，所述反应条件包括：六水合硝酸镍和三聚氰胺的投料质量比为0.01:1～1:1，室温反应时间为12～72小时。
[0017]优选的，冷冻干燥时间为24～84小时，真空干燥温度为40～80℃，酸浸溶液为盐酸，清洗液为水和乙醇。
[0018]优选的，将前驱体均匀放在石英舟中，通入氩气或氮气，升温速率为5～10℃/min，温度升至700～1000℃，碳化1～4小时。
[0019]优选的，按镍团簇催化剂的总质量计，金属元素的含量为2.0～30.0％。
[0020]优选的，所述催化剂降低氨解离能垒，抑制有毒物质侵蚀电极位点，提高反应活性。
[0021](a)将硝酸镍加入到去离子水中，将金属离子前驱体用作交联剂和金属源。其次，
将三聚氰胺和瓜尔胶溶解于上述前驱体溶液中，室温静置一定时间，使其充分交联和膨胀。然后，通过冷冻干燥将得到的金属离子交联水凝胶制备成气凝胶。
[0022](b)负载型钴团簇催化剂制备：将上述所得的离子交联瓜尔胶气凝胶在氩气或氮气气氛下700～1000℃以5～10℃/min的升温速率碳化1～4小时。经多次酸浸和去离子水洗涤后，真空干燥得到用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极。
[0023]本申请用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极的催化活性高、稳定性好。与现有技术相比，本申请提供的一体式膜电极产生的有益效果包括：
[0024]1)与常规氮掺杂碳纳米管催化剂相比，本申请提供的用于直接流体氨燃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极，其特征在于，包含气体扩散电极和多界面自支撑活性组分；其中，所述气体扩散电极为泡沫镍；所述活性组分为采用原位聚合生长法制备得到的多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇。2.根据权利要求1所述的用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极，其特征在于，所述活性组分镍团簇的负载量为2.0～30.0％，其中，所述活性组分的质量以活性元素镍的质量计算。3.根据权利要求1或2所述的用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极的制备方法，其特征在于，包括：以泡沫镍为载体，采用化学交联原位聚合生长法，得到多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇预膜电极；将所述多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇预膜电极样品在惰性气氛下进行焙烧，得到所述用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极。4.根据权利要求3所述的用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极的制备方法，其特征在于，包括：将六水合硝酸镍溶于去离子水中，随后置入三聚氰胺和瓜尔胶，室温静置一段时间，冷冻干燥，得到金属交联前驱体；将上述氮掺杂碳纳米片前驱体焙烧，得到所述氮掺杂碳纳米片载体；将上述载体进行多次酸浸和去离子水冲洗，真空干燥一段时间，得到多界面异质结构、自支撑的氮掺杂碳纳米管封装镍团簇膜电极。5.根据权利要求4所述的用于直接流体氨燃料电池的一体式膜电极的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏成林，蒋玉卓，王梦凡，邓呈维，孙毅，
申请(专利权)人：航天氢能上海科技有限公司，
类型：发明
国别省市：