一种基于牺牲模板法构建直接甲醇燃料电池纳米多孔结构膜电极的方法技术

本发明专利技术涉及电池制备领域，特别涉及一种基于牺牲模板法构建直接甲醇燃料电池纳米多孔结构膜电极的方法。本发明专利技术提供一种多孔膜电极的制备方法，包括如下步骤：将含MgO或ZnO纳米材料的碳粉浆液涂覆到支撑层上制成阴、阳极微孔层；将含MgO或ZnO纳米材料的催化剂浆液涂覆到微孔层上制备阴、阳极催化层；再将制备的阴、阳电极与Nafion膜热压成型形成MEA，充分酸溶、洗涤后得到纳米多孔结构膜电极。本发明专利技术利用MgO或ZnO等易溶于酸的纳米材料作为牺牲模板构建了直接甲醇燃料电池纳米多孔结构膜电极，其内部纳米微孔的大小形貌可通过氧化物模板的大小形貌进行调控；该方法简单易行，并且能使膜电极的电化学性能和稳定性得到明显提高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及电池制备领域，特别涉及。本专利技术提供一种多孔膜电极的制备方法，包括如下步骤：将含MgO或ZnO纳米材料的碳粉浆液涂覆到支撑层上制成阴、阳极微孔层；将含MgO或ZnO纳米材料的催化剂浆液涂覆到微孔层上制备阴、阳极催化层；再将制备的阴、阳电极与Nafion膜热压成型形成MEA，充分酸溶、洗涤后得到纳米多孔结构膜电极。本专利技术利用MgO或ZnO等易溶于酸的纳米材料作为牺牲模板构建了直接甲醇燃料电池纳米多孔结构膜电极，其内部纳米微孔的大小形貌可通过氧化物模板的大小形貌进行调控；该方法简单易行，并且能使膜电极的电化学性能和稳定性得到明显提高。【专利说明】
本专利技术涉及电池制备领域，特别是涉及一种简单高效的利用金属氧化物纳米颗粒做牺牲模板构建直接甲醇燃料电池纳米多孔结构膜电极的方法及其用途。
技术介绍
直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种绿色新能源，具有能量转化效率高和能量密度高、环境友好、运行噪声低、操作方便等优点，已经在能源领域引起了广泛的研究兴趣，尤其在电动汽车、手机、笔记本、便携式通讯和医疗设备等的动力电源和移动电源领域具有极其广阔的应用前景。作为燃料电池的核心部件，膜电极集合体(MEA)是电池中物料传输、电化学反应、电子和质子传递以及能量转移的场所，其优劣直接决定了整个电池的性能的高低。目前膜电极制备方法主要分为以下两类:(I)传统的第一代膜电极采用气体扩散电极法(GDE)，SP直接将催化剂和Nafion溶液及分散剂溶剂超声混合成浆液，然后采用刮涂的方式或者喷涂的方式直接将催化层涂到扩散层上，再热压到质子交换膜上。(2)后来发展起来的第二代膜电极采用催化剂覆盖电解质膜法(CCM)，即先将催化剂和Nafion溶液及分散溶剂制备的混合浆液喷涂到PTFE薄膜上，再通过热压方式将催化层转移到质子交换膜上，或者直接将催化剂混合浆液喷涂在质子交换膜上，再与微孔层一起热压成型的方法。这样制备的膜电极催化层与膜结合紧密，不易因膜的溶涨而剥离，膜电极稳定性好，催化剂利用率高，但该方法制备的膜电极仍存在着催化层较厚、贵金属用量较大、结构可控性低等问题。对于被动式直接甲醇燃料电池膜电极而言，阳极燃料以浓差扩散为驱动传输到阳极催化层参与反应。若燃料浓度过高，甲醇渗透严重，在阴极形成混合电位，损失电池性能和能量效率；若燃料浓度过低(3M以下)，则大电流放电时的阳极传质受限。因此，对于低浓度的甲醇燃料而言，通过构建纳米多孔的膜电极阳极结构，优化气、液、固三相反应界面，能够在很大程度上提高催化剂利用率和传质性能，使得膜电极在相同电化学性能下的催化剂用量得到有效降低。目前已有不少通过添加可低温分解的造孔剂(如碳酸氢铵等)在阳极微孔层或催化层内造孔的方法，并取得了良好成效。但由于该造孔剂的造孔原理为反应生成气体在电极表面逸出所形成，所造孔道为微米级，且大小、形貌均不可调控，难以实现膜电极微纳米结构的可控构筑，制约了整个电池电化学性能的继续提高。因此，我们迫切需要发展新一代基于纳米技术的多孔膜电极构筑方法。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种包括直接甲醇燃料电池在内的质子交换膜燃料电池膜电极扩散层、催化层内部纳米孔的构筑方法，用于解决现有技术中的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术第一方面提供，包括如下步骤:(I)将碳粉和聚四氟乙烯(PTFE)乳液分散于异丙醇水溶液中，分散得到均匀粘稠的阳极碳粉浆液和阴极碳粉浆液；(2)将步骤I所得阳极碳粉浆液和阴极碳粉浆液分别逐层均匀涂覆到支撑层上，分别制成阳极微孔层和阴极微孔层；(3)将步骤2所得阳极微孔层和阴极微孔层进行烧结，使PTFE熔融并均匀分布；(4)将贵金属Pt基阳极催化剂、Nafion溶液加入到异丙醇水溶液中，超声搅拌后形成阳极催化剂浆液；将贵金属Pt基阴极催化剂、Nafion溶液加入到异丙醇水溶液中，超声搅拌后形成阴极催化剂浆液；所述步骤I所得阳极碳粉浆液和/或步骤4所得阳极催化剂浆液中还加入MgO或ZnO纳米材料；(5)将步骤4获得的阳极和阴极催化剂浆液分别均匀涂布到步骤3制得的阳极微孔层和阴极微孔层表面，制成阳电极和阴电极，将阳电极和阴电极进行加热处理，冷却取出；将获得的阴、阳电极与Nafion膜一起热压成型，形成三合一膜电极集合体(MEA)；或者，将步骤4获得的阳极和阴极催化剂浆液分别均匀喷涂到Nafion膜两侧，形成催化剂涂覆的Nafion膜(CCM)，再将CCM于加热以除去溶剂，将所得CCM与步骤3形成的阴、阳极微孔层一起热压成型，形成三合一膜电极集合体(MEA );(6)将步骤5得到的MEA在硫酸溶液中浸泡，将浸泡后获得的MEA充分洗涤，直到Mg2+、Zn2+等离子完全洗出，即可形成纳米多孔的MEA电极结构。优选的，所述纳米材料具体指纳米颗粒、纳米管、纳米棒等。优选的，所述MgO或ZnO纳米材料的粒径为10?400nm。更优选的，当所述阳极碳粉衆液中还加入MgO或ZnO纳米材料时,MgO或ZnO纳米材料的重量占碳粉浆液总干重的3?40wt%，优选为10-30wt%。碳粉浆液总干重具体指碳粉、PTFE乳液中固态物和纳米材料的重量和。更优选的,所述阳极催化剂衆液中还加入MgO或ZnO纳米材料时,MgO或ZnO纳米材料的重量占催化剂浆液总干重的3?40wt%，优选为10-30wt%。催化剂衆液总干重具体指贵金属Pt基催化剂、Nafion溶液中固态物和纳米材料的重量和。优选的，所述步骤I中，对于阳极碳粉浆液，碳粉、聚四氟乙烯(PTFE)乳液中的聚四氟乙烯干重、异丙醇水溶液的投料比例为1:0.15-0.35:20-40 ;对于阴极碳粉浆液，碳粉、聚四氟乙烯乳液中的聚四氟乙烯干重、异丙醇水溶液的投料比例为1:0.25-0.75:20-40。更优选地，所述步骤I中，所述碳粉选自Vulcan XC-72R、碳纳米管、纳米碳纤维等中的一种或多种的组合。更优选的，所述步骤I中，聚四氟乙烯乳液分子量范围为400万-500万，密度为1.2 ?1.5g/cm3,固体含量为 55-65wt%0进一步优选的,所述聚四氟乙烯乳液为美国Dupont公司生产的60wt%聚四氟乙烯乳液。更优选的，所述异丙醇水溶液的浓度为45_55wt%。优选的，所述将碳粉浆液逐层均匀涂覆到支撑层上的具体方法为:用自动点胶机或丝网印刷机进行涂覆。优选的，所述支撑层为碳纸或碳布等支撑材料。更优选的,所述碳纸为日本东丽公司(Toray)的碳纤维纸TGPH-060。更优选的,所述碳布为日本东丽公司(Toray)的Type A碳布。优选的，所述步骤2中，所得的阳极微孔层的碳载量为0.5?2mg/cm2，阴极微孔层碳载量为0.5?4mg/cm2。优选的，所述步骤3中，烧结的具体条件为:在340_360°C下烧结0.4-0.6h。优选的,所述步骤4中，阴极或阳极催化剂、Nafion溶液中的Nafion干重与加入到异丙醇水溶液的投料比例为1:0.15-0.35:5-15。更优选的，所述阴极催化剂选自Pt black、Pt/C中的一种或两种的组合；阳极催化剂选自PtRu black、PtRu/C中的一种或两种的组合。进一步优选的，所述阴极催化剂中，Pt black和Pt/C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于牺牲模板法构建直接甲醇燃料电池纳米多孔结构膜电极的方法，包括如下步骤：（1）将碳粉和聚四氟乙烯乳液分散于异丙醇水溶液中，分散得到均匀粘稠的阳极碳粉浆液和阴极碳粉浆液；（2）将步骤（1）所得阳极碳粉浆液和阴极碳粉浆液分别逐层均匀涂覆到支撑层上，分别制成阳极微孔层和阴极微孔层；（3）将步骤（2）所得阳极微孔层和阴极微孔层进行烧结，使PTFE熔融并均匀分布；（4）将贵金属Pt基阳极催化剂、Nafion溶液加入到异丙醇水溶液中，超声搅拌后形成阳极催化剂浆液；将贵金属Pt基阴极催化剂、Nafion溶液加入到异丙醇水溶液中，超声搅拌后形成阴极催化剂浆液；所述步骤（1）所得阳极碳粉浆液和/或步骤（4）所得阳极催化剂浆液中还加入MgO或ZnO纳米材料；（5）将步骤（4）获得的阳极和阴极催化剂浆液分别均匀涂布到步骤（3）制得的阳极微孔层和阴极微孔层表面，制成阳电极和阴电极，将阳电极和阴电极进行加热处理，冷却取出；将获得的阴、阳电极与Nafion膜一起热压成型，形成三合一膜电极集合体；或者，将步骤（4）获得的阳极和阴极催化剂浆液分别均匀喷涂到Nafion膜两侧，形成催化剂涂覆的Nafion膜CCM，再将CCM加热以除去溶剂，将所得CCM与步骤（3）形成的阴、阳极微孔层一起热压成型，形成三合一膜电极集合体；（6）将步骤（5）得到的MEA在硫酸溶液中浸泡，将浸泡后获得的MEA充分洗涤，直到Mg2+、Zn2+离子完全洗出，即可形成纳米多孔的MEA电极结构。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋晶晶，黄庆红，邹志青，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：