一种多孔电极制备方法

一种多孔电极制备方法
1.技术领域
2.本发明涉及燃料电池领域，具体的说涉及一种多孔电极制备方法。


背景技术：

3.因具有能量密度高、启动快速等特点，直接甲醇燃料电池近些年受到国内外研究机构的广泛关注。然而直接甲醇燃料电池的大规模应用仍受成本限制。其中，阴极氧还原反应活化能高，动力学过程缓慢，需要使用高载量的铂基贵金属电催化剂，增加了电池成本。因此大量研究者致力于开发非贵金属的氧还原电催化剂。其中，铁基非贵金属电催化剂因具有高氧还原活性和低制造成本等优势，在直接甲醇燃料电池中应用潜力巨大，目前以铁基非贵金属电催化剂组装的直接甲醇燃料电池输出功率密度很难超过80 mw cm-2
，难以媲美商品pt/c的性能。究其原因在于直接甲醇燃料电池阴极铁基非贵金属电催化剂和离聚物的载量高，其催化层厚度比pt/c阴极高一个数量级（~100 μm），导致以此组装的直接甲醇燃料电池传质阻力巨大，从而影响其电池输出功率密度。因此制备强物质传质性能的铁基非贵金属电催化剂基新型多孔电极至关重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种新型多孔电极制备及其应用。本发明的方法可以制备反应物、电子、质子、产物等物质传输通道有序化的多孔电极，可用于直接甲醇燃料电池以及其他燃料电池。
5.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种多孔电极制备方法。包括以下内容：将电催化剂、质子导电聚合物、粘结剂、溶剂等混合均匀，涂于磁铁感应装置；然后将此装置置于液氮气氛中，经冷冻干燥后获得新型多孔电极。
6.所述电催化剂为fec、fen、fe-n-c、fe-co-n-c、fe-ni-n-c的一种或者两种以上的混合物，电催化剂载量为0.01-10.0 mg cm-2
；所述质子导电聚合物为全氟磺酸、有机磷酸等或其衍生物中的一种；所述质子导电聚合物均匀分布于多孔电极内，质子导电聚合物质量浓度0.1%-40%；所述粘结剂为聚四氟乙烯、偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者两种以上的混合物，粘结剂质量浓度为0.1%-40%；所述溶剂为水、乙醇、异丙醇的一种或者两种以上的混合物；所述磁铁感应装置包括不锈钢平板、基底和磁铁，形成层叠结构；所述不锈钢平板中部开设有用于放置催化层浆液的通孔；所述基底为聚四氟乙烯薄膜、全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、硅胶薄膜、聚乙烯薄膜中的一种，厚度为50-1000 μm；所述磁铁最大磁积能为2-50 mgoe。
7.所述冷冻干燥时间为6-48 h，冷冻干燥温度为-60-0 ℃，冷冻干燥压强为10-600 pa。
8.与现有技术相比，本发明利用铁基非贵金属电催化剂在磁场环境中可定向排布的特性及冷冻干燥技术的应用优势，在多孔电极中构筑反应物、电子、质子、产物等的有序传输通道，以强化电极内物质传输过程，提高以铁基非贵金属电催化剂组装的单池输出功率密度。且易于实施和规模化放大，在燃料电池、生物医疗以及传感等方面存在较大应用前景。
9.附图说明：图1为实施例1所制备的sem图。
具体实施方式
10.实施例1：称量32 mg fe-n-c于20 ml烧杯中，加入4 ml无水乙醇，超声1 h；然后加入0.640 ml 5% 全氟磺酸溶液和0.640 ml 5% pvdf溶液，冰水浴搅拌8 h；将上述混合液置于磁铁感应装置（磁铁最大磁积能为35 mgoe），然后迅速转移至装有液氮的容器内，等待10 min；最后将上述样品在-52
°
c，100 pa压力下干燥12 h，即获得所需多孔电极。所形成多孔电极孔隙率为0.72。
11.实施例2：与实施例1区别在于，无水乙醇体积为8 ml，所形成多孔电极孔隙率为0.80。
12.实施例3：与实施例1区别在于，磁铁最大磁积能为22 mgoe，所形成多孔电极孔隙率为0.67。
13.实施例4：与实施例1区别在于，pvdf溶液体积为0.320 ml，所形成多孔电极孔隙率为0.75。
14.实施例5：与实施例1区别在于，冷冻干燥时间为24 h，所形成多孔电极孔隙率为0.73。
15.实施例6：与实施例1区别在于，所用催化剂为fe-co-n-c、所形成多孔电极孔隙率为0.72。
16.实施例7：与实施例1区别在于，所用催化剂载量为64mg，所形成多孔电极孔隙率为0.70。
17.实施例8：与实施例1区别在于，所述质子导电聚合物为有机磷酸，所形成多孔电极孔隙率为0.72。
18.实施例9：与实施例1区别在于，所述全氟磺酸溶液体积为0.320ml，所形成多孔电极孔隙率为0.75。
19.如图1所示，经冷冻干燥后，多孔电极表面呈裂纹结构。这种特殊结构构成多孔电极内气体或液体传输通道，利于物质传输。


技术特征：
1.一种多孔电极制备方法，其特征在于，将电催化剂、质子导电聚合物、粘结剂、溶剂混合均匀，涂于磁铁感应装置；然后将此装置置于液氮气氛中，经冷冻干燥后获得多孔电极。2.根据权利要求1所述多孔电极制备方法，其特征在于，所述电催化剂为fec、fen、fe-n-c、fe-co-n-c、fe-ni-n-c的一种或者两种以上的混合物。3.根据权利要求2所述多孔电极制备方法，其特征在于，电催化剂载量为0.01-10.0 mg cm-2
。4.根据权利要求1所述多孔电极制备方法，其特征在于，所述质子导电聚合物为全氟磺酸、有机磷酸等或其衍生物中的一种。5.根据权利要求4所述多孔电极制备方法，其特征在于，所述质子导电聚合物均匀分布于多孔电极内，质子导电聚合物质量浓度0.1%-40%。6.根据权利要求1所述多孔电极制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚四氟乙烯、偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者两种以上的混合物。7.根据权利要求6所述多孔电极制备方法，其特征在于，所述粘结剂质量浓度为0.1%-40%。8.根据权利要求1所述多孔电极制备方法，其特征在于，所述溶剂为水、乙醇、异丙醇的一种或者两种以上的混合物。9.根据权利要求1所述多孔电极制备方法，其特征在于，所述磁铁感应装置包括不锈钢平板、基底和磁铁，形成层叠结构；所述不锈钢平板中部开设有用于放置催化层浆液的通孔；所述基底为聚四氟乙烯薄膜、全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、硅胶薄膜、聚乙烯薄膜中的一种，厚度为50-1000 μm；所述磁铁最大磁积能为2-50 mgoe。10.根据权利要求1所述多孔电极制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥时间为6-48 h，冷冻干燥温度为-60-0 ℃，冷冻干燥压强为10-600 pa。

技术总结
本发明公开了一种多孔电极制备方法，将电催化剂、质子导电聚合物、粘结剂、溶剂混合均匀，涂于磁铁感应装置；然后将此装置置于液氮气氛中，经冷冻干燥后获得多孔电极。本发明利用铁基非贵金属电催化剂在磁场环境中可定向排布的特性及冷冻干燥技术的应用优势，在多孔电极中构筑反应物、电子、质子、产物等的有序传输通道，以强化电极内物质传输过程，提高以铁基非贵金属电催化剂组装的单池输出功率密度。且易于实施和规模化放大，在燃料电池、生物医疗以及传感等方面存在较大应用前景。疗以及传感等方面存在较大应用前景。疗以及传感等方面存在较大应用前景。


技术研发人员：孙瑞利 赵世雄 王绍荣
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2022.05.31
技术公布日：2022/7/15