[发明专利]一种双功能电极及其制备和应用

说明书

本发明提供一种双功能电极及其制备和应用。所述双功能电极包括集流体和氢析出‑氧还原双功能催化剂，催化剂材料为贵金属钯、铂中的一种，催化剂均匀生长在半球性金属层上，金属层通过电镀生长在导电的泡沫金属上，且金属层表面被氧化成电镀金属的氢氧化物。电池单体由两片阴极对着阳极，组成类似“三明治”构型，阴阳极由电池壳体固定。本发明有效结合了镁‑水与镁‑溶解氧电池的优点，在小电流放电时采用镁‑溶解氧电池工作原理放电，电池的放电电压高，电池的质量比能量大；在大电流或者溶解氧不足时采用镁‑海水电池工作原理放电，可以保证电池能正常工作，有效提高电池的稳定性。

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，具体的说涉及一种可同时作为氧还原反应电极和氢析出反应电极的双功能电极。

背景技术

电源是现代海洋研究设备的基础之一，但受海下实际工况的限制，特别是深海条件，使得常规的一次电池和二次电池(如锂离子电池、银锌电池、铅酸电池、碱性电池等)难以满足新型水下设备对安全可靠，长寿命，高容量的需求。

镁-溶解氧电池是一种典型的镁海水电池，电池包括镁合金阳极、氧还原反应催化剂阴极，以海水为电解质，海水中的溶解氧为阴极反应物或燃料。该电池单池工作电压高，镁阳极的质量比容量大，使得电池的质量比能量高。镁-溶解氧海水电池的阴极通常以钯、铂、银等贵金属材料为氧还原催化剂并分布在具有高比表面积的耐腐蚀基底材料(如钛合金)上，该电极对于氧还原反应有较好的催化效果，但当电池应用于深海等溶解氧较低的环境中时，电池会因电极反应效率降低或停止而无法实现大功率密度放电甚至无法工作。

镁-水电池以海洋中的水为阴极燃料，电极反应的发生不需要海水中的溶解氧参与，可以有效解决镁-溶解氧电池的相关缺陷。镁水电池的阴极与镁溶氧型电池阴极不同，且相关文献报道也较少，一般以泡沫镍作为电池的阴极，如将其同时用作氧还原电极时，存在电极对氧的反应效率低、还原不充分等缺陷。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，发明了一种可同时作为氢析出电极和氧还原电极的双功能电极，该电极作为水下用电池阴极时，可根据环境条件的不同，发生两种不同的反应，从而实现同一电极制备的水下电池在不同环境中的应用。

本发明采用以下技术方案来实现：

一种双功能电极，所述电极以泡沫金属为基底，其上负载有金属颗粒，每一金属颗粒均附着于基底上，与基底接触的金属颗粒表面为附着面、金属颗粒与基底不相接触的表面为非附着面，非附着面为半球面，非附着面上附着有与构成金属颗粒相同金属成份的氢氧化物膜层，金属颗粒及其相应氢氧化物膜层构成的半球状粗糙金属层，所述金属层上担载有贵金属纳米粒子。

所述泡沫金属为泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁中的一种；所述金属为钼、钴、镍中的一种或一二种以上；所述贵金属纳米粒子为钯、铂中的一种或两种。所述电极在材料上选用大比表面积的泡沫金属为导电基底，在其表面电镀上具有一定析氢活性的半球形金属镀层，有利于其析氢反应，当金属镀层表面修饰贵金属后再进行氧化形成的氢氧化物，进一步增强了贵金属催化剂的析氢和氧还原的催化活性，在结构上因表面负载半球形金属镀层后有效提高电极的比表面积，有利于电极更好地接触氧和水而提高电池的放电性能。

所述半球状镀层的半球直径为0.1-2um；所述金属相应的氢氧化物膜层厚度为10-100nm；所述贵金属纳米粒子的直径为1-100nm。

所述金属及其氢氧化物膜层颗粒构成的半球状颗粒于泡沫金属基底上的担载量为0.1–1mg/cm²；所述贵金属纳米粒子的担载量为1-100ug/cm²。

所述泡沫金属的厚度为0.5-3.0mm，孔道数目为50-150PPI，通孔率为95-100％。

所述双功能电极的制备方法，包括以下步骤。