[发明专利]一种质子交换膜燃料电池气体扩散层-rGO@Ni/Nifoam

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层‑rGO@Ni/Nifoam的制备方法及应用。在三电极电化学电池中以氢气泡为模板，通过电沉积法在泡沫镍上电沉积出三维镍纳米颗粒；将带有镍纳米颗粒的泡沫镍浸入氧化石墨烯水溶液中反应，利用三维镍颗粒原位还原氧化石墨烯，由此形成rGO@Ni/Nisubgt;foam/subgt;产物。通过本发明，泡沫镍表面可沉积出镍纳米颗粒，氧化石墨烯还原程度高，能够有效降低气体扩散层与集电板之间的接触电阻。相较于直接利用泡沫镍(骨架)还原氧化石墨烯，不会腐蚀泡沫镍基材。相较于还原剂法还原氧化石墨烯，不涉及有毒还原剂的介入，安全性高、可操作性强。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池气体扩散层-rGO@Ni/Ni_foam的制备方法及应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC)采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转化率高、低温启动、无电解质泄露等特点，被广泛应用于重型卡车、航天航空及军事等领域。由于质子交换膜燃料电池的诸多优点而备受业界关注。质子交换膜燃料电池气体扩散层使用较多的是碳纸和碳布，在质子交换膜燃料电池中起气体扩散和电子传导的作用。传统的气体扩散层存在着易腐蚀、物质传输阻力大等缺点。同时，具备高孔隙率和高导电的气体扩散层对催化剂的物理支撑作用可以提高贵金属铂催化剂的利用率和降低反应物传输阻力，从而提升燃料电池性能。因此，本文提出一种新型的质子交换膜燃料电池气体扩散层-rGO@Ni/Ni_foam的制备方法，对于替代当前传统的气体扩散层具有重要的意义。

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的新型碳材料，具有二维六边形蜂窝状晶体结构。石墨烯由于其优良的化学稳定性和热力学稳定性，以及物理性能和机械性能，被广泛应用于燃料电池技术领域。石墨烯因其独特的二维结构而具有超大的比表面积。而且，单层石墨烯在室温条件下是极好的导热体、表现出高电子迁移率等。因此，石墨烯是一种潜在的理想型物质。

在现有技术中，超光材料和表面技术关键实验室的庄军凡等人，利用了铁粉在室温下直接还原氧化石墨烯，并且成功在表面合成石墨烯纳米片。这种方法为高效、环保和大规模生产石墨烯纳米片创造了条件，同时也为其他金属纳米粒子比如镍纳米粒子直接还原氧化石墨烯提供了一定的基础。

此外，CN103680974A、CN103545121A和CN103258656A等发明专利提出了不同泡沫镍还原氧化石墨烯的方法：即先通过浸泡方式获得沉积有氧化石墨烯的泡沫镍，然后采用电极法、抗坏血酸或者高温加热法来执行还原反应，以便将氧化石墨烯还原成石墨烯并沉积在泡沫镍表面。然而，上述的实验方案需要额外的复杂步骤去进行还原反应，实验反应过程中需要用到的昂贵的实验设备（管式炉）或营造特殊的实验环境，这极大地限制了实验方案施行。而在CN106803461A中提出的一种直接浸泡反应式的泡沫镍-石墨烯三维多孔电极制备方法，可以通过简单、便于操控的一个浸泡过程即可快速完成氧化石墨烯还原反应，但反应界面是在光滑镍骨架。而通过泡沫镍电沉积在骨架上得到镍纳米粒子，镍纳米粒子相较于泡沫镍骨架有着较大的比表面积，所以还原氧化石墨烯产物质量更高。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷以及针对需要改进的地方，本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池气体扩散层-rGO@Ni/Ni_foam的制备方法及应用。其中，与现有实验方案中获得氧化石墨烯-泡沫镍复合材料之后再执行各类还原反应以及通过泡沫镍直接浸泡在氧化石墨烯中完成还原反应相比较。本发明通过在泡沫镍工作电极、铂箔对电极和饱和银/氯化银参比电极置于氯化铵和氯化镍的沉积液中构成的三电极电沉积出三维镍纳米颗粒，并通过一个简单、易控的浸泡过程完成还原反应，最终形成rGO@Ni/Ni_foam产物。在镍纳米颗粒与氧化石墨烯发生反应的过程中，极大地提高了整体的反应速率，便于还原氧化石墨烯的附着，同时具备简单、易控和安全的优点。