[发明专利]阴极、包括该阴极的膜电极和阴极制备方法有效
申请号: | 200910243749.8 | 申请日: | 2009-12-23 |
公开(公告)号: | CN101783406A | 公开(公告)日: | 2010-07-21 |
发明(设计)人: | 曹萌;刘涛;闫永臣;王雁 | 申请(专利权)人: | 新奥科技发展有限公司 |
主分类号: | H01M4/32 | 分类号: | H01M4/32;H01M4/94;H01M4/29 |
代理公司: | 中科专利商标代理有限责任公司 11021 | 代理人: | 王旭 |
地址: | 065001 河北省廊坊市经济*** | 国省代码: | 河北;13 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 阴极 包括 电极 制备 方法 | ||
技术领域
本发明涉及一种阴极及其制备方法,以及包括该阴极的膜电极。
背景技术
固体聚合物水电解技术在目前的水电解领域已成为主要的发展方向。 应用碱性固体聚合物电解质,电解环境由强酸性变成强碱性,可以很大程 度上拓宽催化剂金属的选择范围,将固体聚合物水电解及燃料电池从贵金 属使用中解脱出来。该碱性固体聚合物电解质同样可以应用于燃料电池。 目前国内外研究最为广泛的析氢反应阴极催化剂为镍基合金催化剂,该类 催化剂析氢反应过电位低,具有很好的析氢活性,其制备方法包括化学还 原法、电沉积法、机械合金法、真空溅射法等。膜电极组件是固体聚合物 水电解和燃料电池的核心部件。其性能与电催化剂活性、电极以及膜电极 结构等诸多因素相关,催化剂浆液、电极以及膜电极制备方法对膜电极的 微观结构均有较大影响。因此,膜电极催化层的制备方法对于固体聚合物 水电解和燃料电池性能来说是至关重要的。
中国专利CN200610113647.0公开了一种质子交换膜燃料电池电极和 膜电极的制法,将催化剂浆液分散/沉积到导电基底、导质子基底或非导电 基底薄膜上。该发明使聚合物电解质和催化剂等组分在催化剂浆液中均匀 分散,从而使催化剂利用率和电池的性能得到显著提高。
但是用上述方法制备的催化层,由于使用质子交换膜,采用铂族贵金 属作为催化剂,铂族贵金属析氢活性是已知最好的,但在碱性固体聚合物 体系中,所用阴极催化剂为低成本金属合金催化剂,如果用喷涂的方法, 催化层必须为薄层,容易导致催化活性位点少,电流密度低,同时直接将 含电解质膜溶液的催化剂浆料喷涂在导电基底如碳纸上,会增加接触电 阻。如果采用丝网印刷的方法,需另外喷涂电解质膜溶液,聚合物电解质 易团聚,与催化剂接触面积小,不利于三相界面的形成。
《国际氢能杂志》(International Journal of Hydrogen Energy 33(2008) 3676-3687)报导了一种在含Ni和Mo的前驱液中通过电沉积的方法在镍 网上沉积镍钼合金阴极催化剂,具有很好的析氢活性。
但是在该文章中给出的镀层表面形貌显示,该镍钼阴极催化剂电沉积 在镍网上,可以清楚看到镍钼镀层有明显裂纹,作者也描述了其催化剂并 不稳定的情况。同时,以电沉积法制备的催化层,需另外喷涂电解质膜溶 液才能组装成固体聚合物水电解或者燃料电池可用的膜电极,同样存在聚 合物电解质易团聚,与催化剂接触面积小的问题。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种具有高催化活性和稳定性,以及低能耗的阴 极,包括该阴极的膜电极,以及该阴极的制备方法。 技术方案
为了解决上述技术问题,本发明的第一方面提供一种阴极,所述阴极 包括导电基底层和在导电基底层上的第一催化层,第一催化层由第一镍基 合金催化剂形成,其特征在于所述阴极还包括在第一催化层上的第二催化 层,第二催化层由第二镍基合金催化剂和碱性聚合物电解质的混合物形 成。
在根据本发明的阴极中,第一镍基合金催化剂和第二镍基合金催化剂 各自包含镍以及选自钼、钴、铁中的至少一种。
在根据本发明的阴极中,第一镍基合金催化剂和第二镍基合金催化剂 可以具有相同的化学组成。
在根据本发明的阴极中,第一镍基合金催化剂和第二镍基合金催化剂 可以具有不同的化学组成。
在根据本发明的阴极中,所述碱性聚合物电解质选自季铵化聚砜、季 铵化聚醚砜、季磷化聚砜和季磷化聚醚砜中的一种。
在根据本发明的阴极中,所述导电基底层包括碳纸、碳布、不锈钢网、 镍网和钛网。
本发明的第二方面提供一种膜电极,所述膜电极包括阳极、上述阴极 和在上述阴极和阳极之间的碱性聚合物电解质膜。
本发明的第三方面提供一种阴极制备方法,所述方法包括以下步骤:
a.采用第一镍基合金催化剂前驱体的水溶液在导电基底层上进行电 沉积,以形成第一催化层;
b.将还原剂水溶液加入到第二镍基合金催化剂前驱体的水溶液中,以 制备第二镍基合金催化剂;
c.将第二镍基合金催化剂和碱性聚合物电解质在溶剂中混合,以制备 第二镍基合金催化剂浆料;和
d.使用第二镍基合金催化剂浆料在所述第一催化层上形成第二催化 层。
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