[发明专利]曲面电极催化剂层制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及电极催化剂层制备方法,具体涉及曲面电极催化剂层制备方法。

背景技术

在各种常见的电化学反应器包括燃料电池、电解池、电化学池等中常用的电极基体主要有碳纸、碳布、碳毡、石墨板等电化学性质稳定且耐腐蚀的碳材料。碳纸、碳布、碳毡、石墨板的价格均较高，造成了电化学反应器的成本居高不下。碳纸、碳布、碳毡、石墨板等一般都被用作平面电极，然而研究W.R. Merida, G. McLean, N. Djilali, Journal of Power Sources, 102 (2001) 178-185.已经证明，曲面电极相对于平面电极能够显著提高电化学反应器的性能和体积功率密度。

在质子交换膜燃料电池中使用波浪形waved的膜电极Membrane Electrode Assembly，MEA能够增大电极表面积并且强化反应物质的传输，提高燃料电池的性能和体积功率密度W.R. Merida, G. McLean, N. Djilali, Journal of Power Sources, 102 (2001) 178-185.。然而该波浪形膜电极还是使用碳纸作为电极基体，成本较高，并且以不锈钢材料作为膜电极的支撑和集流体容易被腐蚀。国外研究者E. Kjeang, J. McKechnie, D. Sinton, N. Djilali, Journal of Power Sources, 168 (2007) 379-390.提出在微流体燃料电池中使用石墨棒作为电极基体。石墨棒价格便宜、生产容易、来源广泛，使用石墨棒作为电极基体能够显著降低电池的成本。使用石墨棒这样的圆柱形曲面电极作为电化学反应发生的场所不仅可以增加电池中电极的电化学活性表面积，并且流体扰流圆柱形电极表面时还会产生微小扰动，强化反应物质对电极表面耗尽边界层Depletion boundary layer的补充，能够同时提高微流体燃料电池的性能和燃料利用率。该种使用石墨棒作为电极的微流体燃料电池使用钒氧化还原电对V²⁺/V³⁺和VO²⁺/VO₂⁺分别作为燃料和氧化剂，其优点是钒氧化还原电对能够直接在石墨棒表面反应，不需要使用贵金属催化剂，然而钒会对环境尤其是土壤造成严重污染并且在液体中溶解度较低，因此限制了其广泛使用。

甲醇CH₃OH和甲酸HCOOH等液体燃料具有来源广泛、易于制取、能量密度高、环境友好等特点，是燃料电池理想的燃料。甲醇和甲酸等液体燃料不能在碳基体如碳纸、碳布、石墨板、石墨棒等上直接反应，必须使用催化剂进行催化。为了制造可靠的燃料电池曲面电极，必须对曲面电极表面催化剂层的制备方法进行研究。

目前将催化剂制备在曲面电极基体的方法主要可以分为电化学沉积法和直接附着法两类。如专利US2004072047-A1中采用电化学沉积法进行电化学沉积催化剂，会引起催化剂晶体枝状生长Dendritic growth，使得催化剂晶体粒径增大，降低催化剂的电化学活性表面积Electroactive surface area和催化活性；直接附着法则是将催化剂纳米颗粒如Pd black或者Pd/C等与去离子水以及全氟磺酸树脂Nafion溶液按一定比例混合成为催化剂浆料Catalyst ink，进行超声振荡使其均匀分散后将其涂布在电极表面，用热灯烘干后即形成催化剂层；采用直接附着法所用的纳米颗粒催化剂活性较高，但这种制备方法只适用于平面的电极结构，在曲面电极表面催化剂浆料很难均匀分布，并且由于曲面表面受热不均等原因，直接附着法制备的催化剂层会出现由热应力引起的开裂、起层、脱落等现象，造成催化剂浪费，严重地甚至使催化剂完全失效。另外，由于在催化剂浆料中会出现催化剂纳米颗粒团聚的现象，也使得部分催化剂不能与反应物质相接触，不能产生催化效果，造成贵金属催化剂的利用率有限；如专利US2006210867-A1中采用的催化剂直接附着法是将钯黑Pd black催化剂纳米颗粒与Nafion溶液和去离子水按一定比例混合超声振荡均匀后滴在碳基底表面，用热灯烘干后即制得平面电极。这种方法不仅会造成催化剂团聚而且并不适用于曲面电极表面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供曲面电极表面催化剂层的制备方法，该方法能够减少催化剂晶体的枝状生长，并且能够形成多层结构，以提高电极电化学活性表面积。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，曲面电极表面催化剂层的制备方法，其特点是：包括以下步骤：