[发明专利]一种空气电极及其制作方法

说明书

本发明涉及一种空气电极及其制作方法，属于空气电池技术领域。一种空气电极的制作方法，其特点是：采用辐照后的聚四氟乙烯代替目前常用的聚四氟乙烯，通过辐照接枝适当提高聚四氟乙烯的亲水性，一方面提高了聚四氟乙烯乳液的分散稳定性；另一方面，适当辐照接枝的聚四氟乙烯可调节空气电极的憎水性，即实现质子交换膜的高的电导，又保证足够的固‑液‑气三相界面，提供气体反应场所。

技术领域

本发明涉及一种空气电极的制备方法，属于空气电池领域。

背景技术

能源与环境问题是当前社会面临的两大严重问题。燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，具有比功率和比能量高、无电解液流失、可靠性高等优点，满足可持续发展、低碳经济的发展模式的需求，因此具有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是由全氟磺酸型固体聚合物电解质、铂/炭或铂-钌/炭电催化剂、多孔气体扩散电极等组成。其中全氟磺酸型质子交换膜的电导与其水含量密切相关。当膜中每个磺酸根结合的水分子少于4时，膜已不能传导质子。因此，对PEMFC，空气电极既需要水，以确保质子交换膜处于水的饱和状态，保持较高的电导；又不能太多水，太多水会打破空气电极中气/液/固三相界面的平衡，水逐步渗透淹没固相区域，反应场所大大减少，最终导致水渗透整个电极，电极报废，因此空气电极侧生成的水要尽快离开。

PEMFC电极均为气体扩散电极，一般由催化层和扩散层组成。为了在扩散层内生成憎水的反应气体通道和亲水的液态水传递通道，需要对做扩散层的炭纸用PTFE乳液做憎水处理。而催化层一般由各种导电的电催化剂(如Pt/C)与PTFE组成，其中催化剂可被电解质所浸润，不但能提供电子通道，而且还可以提供液相(如水)和导电离子的通道；PTFE由于其憎水特性，掺入其中可构成不被电解液浸润的气体通道。PTFE除了能提供反应气体气相扩散的通道外，它还具有一定的粘合作用，能将电催化剂粘合到一起构成多孔气体扩散电极。

PTFE在空气电极中具有重要作用，但由于C-F键能高以及氟原子规整地排列在C-C链骨架上，因此PTFE表面能极低且表面润湿性和粘结性差，目前通常使用含氟表面活性剂对PTFE微粉表面进行处理，使其分散于水中，但由于PTFE密度大，用这种方法处理的PTFE乳液的分散稳定性差，同时空气电极靠近质子交换膜侧和扩散层侧对憎水的要求不同，因此需要对PTFE进行表面改性，调节其憎水性，满足其在PEMFC中的应用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的PTFE微粉难于分散于水中的问题，本发明旨在提供一种空气电池用空气电极及其制作方法。

本发明提供的空气电池用空气电极，包括催化层和扩散层，其中催化层与扩散层中的PTFE为辐照接枝后的PTFE。PTFE微粉的辐照接枝方法如下：称取一定量的PTFE微粉，装入聚乙烯袋中，用⁶⁰Co源γ射线在空气中辐照50KGy。将预辐照的PTFE微粉置于锥形瓶中，加入一定量的丙烯酸、乙醇、去离子水、阻聚剂(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·H₂O和适量浓硫酸，超声振荡3min，通氮气20min后密封，水浴加热到60℃反应一定时间，过滤，用滤纸包裹产物在索氏提取器中用水抽提60h，除去残留的丙烯酸及其均聚物，烘干得到辐照接枝的PTFE。其中，丙烯酸的体积分数为10～50％，阻聚剂浓度为4～8g/L，浓硫酸量为0～1mL，反应时间为1～3h。