[发明专利]一种氧还原电极结构及其制造方法

说明书

一种氧还原电极的结构及制造方法，包括电极基体和与该电极基体连接的导电连接端，所述氧还原电极的表面催化剂层，是由电极基体的过渡金属基体外表面的原子直接原位转变而成的过渡金属化合物层。采用控制气氛热处理的方法、CVD方法、熔融盐处理的方法、水热反应的方法、电解的方法、磁控溅射的方法，形成过渡金属化合物层。本发明的氧还原电极的表面催化剂层具有高度稳定的结构，与过渡金属基体之间具有非常牢固的结合，这保证了氧还原电极的长寿命和效能。

技术领域

本发明属于能源技术及材料技术领域，特别涉及一种氧还原电极的结构及制造方法。

技术背景

氧还原电极上发生的是氧气分子的还原反应，其中的催化剂能够催化电极上的氧还原反应。氧还原电极在电池及膜电极领域有着广泛应用。由于使用过程中的氧气很多情况下来自空气中的氧气，故氧还原电极也称为空气电极。传统的氧还原电极结构包括疏水透气层、集流体和催化层，其中，催化层为含有催化剂粉体、导电材料(通常为碳材料)粉体、疏水材料的复合材料层，疏水透气层为含有导电材料粉体末和疏水材料的复合材料层，集流体为导电金属网。在长时间的放电或循环充放电过程中，催化层内的催化剂粉体和导电材料粉体容易发生脱落，同时催化层过厚导致内阻较大，电子转移速率减缓，减低氧还原电极的性能。疏水透气层因含有导电材料粉体，易于渗液，降低氧还原电极的寿命。由于疏水透气层和催化层均通过其中导电材料粉体实现电子传导，导电材料粉体之间的电子转移速率缓慢，也不利于氧还原电极性能的提高。

中国发明专利申请“空气电极及其制备方法和应用”（CN201911211905.2）提出了一种空气电极的制备方法，其制造步骤包括：1)利用碳粉、工业酒精及聚四氟乙烯（PTFE）乳液制备气体扩散浆料；2)在集流体一侧使气体扩散浆料形成气体扩散膜；3)利用碳粉、工业酒精、催化剂、造孔剂及PTFE乳液制备催化浆液，其中造孔剂选自草酸铵、碳酸氢铵、聚乙二醇200、聚乙烯醇中的任一种；4)在集流体另一侧使催化浆液形成催化膜；5)将两侧分别有气体扩散膜和催化膜的集流体进行烧结，制得空气电极，该空气电极具有较高的孔隙率、较长的电极寿命、较优的电性能。另，本发明还提供了一种由上述空气电极的制备方法所制得的空气电极及该空气电极在膜电极领域的应用。可以看出，该专利申请提出的空气电极由集流体及分别位于集流体两侧的气体扩散膜和催化膜构成。气体扩散膜中的碳粉以及催化膜中的碳粉和催化剂粉体都是被包裹在PTFE乳液形成的网络结构中。在长时间的放电或循环充放电过程中，其催化膜内的催化剂粉体和碳粉容易发生脱落，同时催化层过厚导致内阻较大，电子转移速率减缓，这些都降低氧还原电极的性能。疏水透气层因含有导电材料粉体，易于渗液，也降低氧还原电极的寿命。由于疏水透气层和催化层均通过其中导电材料粉体实现电子传导，导电材料粉体之间的电子转移速率缓慢，也不利于氧还原电极性能的提高。

中国发明专利申请（CN202010004690.3）提出了一种金属空气电池用空气电极及其制备方法。将金属有机骨架材料与氮源小分子混合，使氮源小分子吸附在金属有机骨架内；然后在氮气氛围下进行高温碳化处理，最后进行酸处理去除金属粒子，得到氮掺杂多孔碳材料；将多孔碳材料配成浆料，涂覆于导电基底表面，得到金属空气电池用空气电极。将所述氮掺杂多孔碳与粘结剂按预设质量比混合均匀，得到导电浆料；然后将导电浆料喷涂到导电基底上，再在基底上压制一层聚四氟乙烯薄膜，得到空气电极。氮掺杂多孔碳材料可以催化电极上的氧还原反应，多孔碳材料还具有导电功能。因此，其催化层由氮掺杂多孔碳与粘结剂混合而成并附着在导电基底上。由于粘结剂不具有导电性能，导致由氮掺杂多孔碳与粘结剂混合构成的催化层的导电性差，降低空气电极的性能。在长时间的放电或循环充放电过程中，其催化膜内的氮掺杂多孔碳粉容易与粘结剂分离发生脱落，也降低空气电极的性能。聚四氟乙烯薄膜具有很好的疏水性能，但透气性较差，不利于空气电极性能的提高。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出了一种氧还原电极的结构，包括电极基体和与该电极基体连接的导电连接端。所述氧还原电极的表面催化剂层，是由电极基体的过渡金属基体外表面的原子直接原位转变而成的过渡金属化合物层。

进一步地，