[发明专利]仿生构筑基于金属铂的超疏水电极材料

说明书

技术领域

本发明属于金属基材表面处理技术领域，具体涉及仿生构筑一种基于金属铂的超疏水电极材料，在金属铂表面产生一种对水及不同pH值水溶液具有超疏水性表面的制备方法，超疏水电极材料在国防、航空航天、能源、传感、电化学等领域均有广泛应用。

背景技术

浸润性（又称润湿性，wettability）是固体表面的一个重要特征。影响固体表面浸润性的因素主要有两个：一是表面化学组成，二是表面微观结构。自然材料的多尺度微/纳米多级结构赋予其表面特殊浸润性能，如植物叶表面的自清洁性、滚动各向异性；昆虫翅膀的自清洁性、水黾腿的超疏水性等。通过对生物体表面的结构仿生可以实现结构与性能的统一。模仿自然界中某些植物、动物的特性以获得具有特殊浸润性材料的研究是当前仿生智能领域的一个重要组成部分。这些新型材料的开发和研制在日常生活和国民生产各个部门都有着广泛的应用前景。

能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础，也是直接影响经济发展的一个重要因素。进入21世纪以来，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何在资源有限和环保严格要求的双重制约下保持经济的高速发展已成为全球热点问题。而传统的能源利用方式所带来的资源短缺、环境污染、温室效应等问题将更为突出，因此传统能源结构及其利用方式越来越难以适应人类生存发展的需要。世界各国都在加紧探索新的能源或新的可持续发展能源利用技术，电池即为其一。燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学装置。燃料电池的活性物质储存在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化剂就能一直发电，因而容量是无限的。其最大特点是反应过程不涉及燃烧，能量转换等温进行，其实际使用效率远高于普通内燃机。燃料电池作为高效、洁净、利用能源的新技术，已成为当今世界能源领域的开发热点。

发达国家都将燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，取得了一系列令人瞩目的成果。燃料电池按其运行机理可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。金属空气电池属于碱性燃料电池的范畴，有悠久的发展史。空气电池作为一种高性能的燃料电池，性能价格比高、原材料丰富、性能稳定并且完全无污染，因此，被称为是“面向21世纪的绿色能源”。

空气中的氧在电极参加反应时，首先通过扩散溶入溶液，然后在液相中扩散，在电极表面进行化学吸附，最后在催化层进行电化学还原。根据反应气体在电极内部输送机制的不同，电极可分为疏水电极和亲水电极两种。疏水电极的反应气体是在催化层中的疏水剂所形成的疏水网络中传递；亲水电极的反应气体则是先溶解在水或是Nafion电解质中，再进行扩散传递。空气电极是一种具有疏水、透气、导电、有催化活性的薄膜，它主要由活性碳、高分子聚合物（聚四氟乙烯）、催化剂以及集流体组成。由于金属空气电池中80%的能量损失都是空气电极过电位引起的，所以它是制约空气电池性能的重要因素，因此对空气电极的结构进行优化是十分必要的。

通过受自然界特殊浸润表面微观结构的启发→设计构筑微纳米多尺度结构的电极表面→材料表面功能化，仿生构筑了超疏水电极材料，然后通过应用实践检验材料（电化学表征）→修改完善设计这样一个螺旋上升的过程，提升了超疏水电极材料的能力，实现了结构和功能的统一，局部与整体的协调与统一。超疏水电极材料不仅在国防、航空航天、能源、传感、电化学等领域都有广泛的应用，也将极大丰富电化学、材料学、纳米科学、化学、生命科学以及工程与技术等学科的研究内涵。

发明内容

本发明提供一种基于金属铂的超疏水电极材料，采用仿生构筑方法，用于实现金属铂表面的超疏水性能，该仿生构筑方法流程简单，疏水性强，制备成本低，实施方便，可进行大规模推广。该方法通过激光刻蚀、王水腐蚀、氟硅烷修饰，使金属铂表面形成超疏水的表面。本发明通过物理以及化学的方法在金属铂表面仿生构筑了微纳米复合结构，然后经过聚全氟烷基硅氧烷的修饰，使其表面能降低，使其达到了超疏水的功能，其对水的静态接触角达到150°以上。本发明基于金属铂的超疏水电极材料在国防、航空航天、能源、传感、电化学等领域均有广泛应用。

本发明提出的仿生构筑基于金属铂的超疏水电极材料，具体包括如下几个步骤：

第一步，将纯度为99.999%的铂片，经过激光刻蚀的方法，在铂片表面形成了规则的微米结构。第二步，铂片预处理：将第一步中得到的铂片依次浸入去离子水和无水乙醇中，超声清洗，再烘干待用；

第三步，配置王水