一種鋁/過氧化氫燃料電池陰極製備方法
2023-09-19 05:36:55 1
專利名稱：一種鋁/過氧化氫燃料電池陰極製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁/過氧化氫燃料電池陰極的製備方法。
背景技術：
鋁/過氧化氫燃料電池(Al-H2O2Fuel Cell)以金屬鋁或鋁合金作為陽極材料，過氧化氫為陰極反應物質，中性鹽或鹼溶液作為電解質溶液，將燃料的化學能直接轉化為電能的裝置。鋁陽極與電解質溶液中的氫氧根離子(OH-)反應釋放出電子，產生偏鋁酸根(AlO2-)和水(H2O)，過氧化氫根離子在陰極催化劑的催化作用下捕獲經外電路抵達的電子發生還原反應陽極反應2Al+8OH-→2AlO2-+4H2O+6e-；陰極反應3HO2-+3H2O+6e-→9OH-；電池總反應2Al+3HO2-→2AlO2-+OH-+H2O。
過氧化氫還原陰極是鋁/過氧化氫燃料電池的重要組成部分，陰極催化劑性能和陰極結構的優劣直接關係到電池的性能。歐美等國家的科研機構都對鋁/過氧化氫燃料電池陰極的製備方法進行了研究。
美國專利US5296429A介紹的過氧化氫還原陰極是在鎳基底上沉積鈀、銥結合的二元催化劑製得，在工作溫度為55℃時，該陰極構成的電池最大功率密度為800mW/cm2，該方法製備的陰極催化劑顆粒較大，分布不均勻。
美國專利US6740220B1，主要採用在高密度碳或多孔碳載體上沉積鈀、銥催化劑的方法製備過氧化氫還原陰極，在工作溫度為55℃時，該陰極構成的電池最大功率密度為380mW/cm2，陰極極化電流密度達700mA/cm2。碳載體與沉積的鈀、銥催化劑之間的結合力較差，在電解液流動條件下，催化劑容易脫落，並且在過氧化氫存在情況下，碳(石墨)可能會發生氧化反應，使電極穩定性降低，因而減小電極的使用壽命。
由於鈀、銥催化劑價格昂貴，電極的製備成本較高，上述兩種電極還沒有實際應用。現在，商業應用的鋁/過氧化氫燃料電池是採用平板的銀箔或銀網作為陰極，這種電極的不足之處是只有電極表面的銀起催化作用，銀催化劑利用率低，對過氧化氫還原的催化性能不高。因此，急需尋求一種對過氧化氫還原具有高效催化活性，成本較低的鋁/過氧化氫燃料電池陰極的製備方法。
發明內容
本發明的目的在於提供一種鋁/過氧化氫燃料電池陰極製備方法。
為實現上述目的，本發明提供的製備方法，以多孔泡沫鎳作為基底材料，經活化處理後，置於含銀鹽溶液的電化學沉積槽中，通過調節電沉積溶液中銀鹽溶液濃度、電流密度、溫度以及電化學沉積時間來控制銀催化劑顆粒的尺度大小、分布與晶體生長方式，同時保持泡沫鎳的多孔結構，將作為過氧化氫還原電催化劑的金屬銀沉積在泡沫鎳的纖維絲上；其具體步驟如下a)將泡沫鎳基底浸入濃度為1-3M的鹽酸溶液中，10-60分鐘後取出，去離子水衝洗；b)將步驟a活化處理後的泡沫鎳基底放入含有20-50g/l含銀離子的銀鹽電沉積溶液中，20～30℃下，電流密度為3-5mA/cm2，電鍍時間為2-5min，將金屬銀催化劑沉積在泡沫鎳的纖維絲上，並且保留了泡沫鎳的多孔結構，得到過氧化氫還原陰極。
所述鋁/過氧化氫燃料電池陰極的製備方法，泡沫鎳基底為導電且多孔的泡沫鎳材料。
所述鋁/過氧化氫燃料電池陰極的製備方法，銀鹽電沉積溶液為氰化銀鉀(KAg(CN)2)的銀鹽電沉積溶液。
所述鋁/過氧化氫燃料電池陰極的製備方法，過氧化氫還原陰極為多孔泡沫鎳纖維基底上電沉積銀催化劑的電極。
本發明的有益效果是1、在多孔泡沫鎳基底上電化學沉積銀催化劑，金屬泡沫鎳作為基底材料，增強了電極的導電性，有利於反應電子的傳輸；2、由於泡沫鎳基底的多孔結構，使電極催化劑比表面積增加。同時銀催化劑晶體顆粒為片狀，厚度在納米尺度範圍內(平均厚度約為100nm)，分布均勻，在泡沫鎳表面呈有序豎直排列，使催化劑比表面積顯著增加，提高了電極的催化性能；3、電極的多孔纖維結構使電解液與催化劑表面有充分的接觸，同時形成對流的通道，有利於傳質的進行；4、該方法製備的陰極泡沫鎳基體與催化劑之間結合力強，提高了電極的穩定性；5、電化學沉積銀催化劑用量少，所製備電極價格低廉，適合規模製備與實際應用；6、在溫度為50℃條件下，該陰極極化電流密度可達1300mA/cm2，在工作溫度為45℃條件下，該電催化陰極構成的鋁/過氧化氫燃料電池最大功率密度為450mW/cm2。
圖1為本發明製得的泡沫鎳基底電化學沉積銀催化劑的陰極的掃描電子顯微鏡照片；其中a為泡沫鎳基底結構，b為泡沫鎳表面形貌，c為電沉積銀催化劑表面形貌(×2000)，d為電沉積銀催化劑顆粒形態結構(×5000)。
圖2為本發明製得的泡沫鎳基底上電化學沉積銀催化劑電極的過氧化氫還原陰極極化曲線。
圖3為本發明製得的泡沫鎳基底上電化學沉積銀催化劑電極作為鋁/過氧化氫燃料電池陰極的電池性能曲線。
具體實施例方式
將多孔的泡沫鎳基底浸入濃度為3M的鹽酸溶液中，經20分鐘後取出，用去離子水衝洗。將活化處理後的泡沫鎳基底放入含有50g/l氰化銀鉀(KAg(CN)2)的銀鹽電沉積溶液中，保持槽溫在25～30℃條件下，控制電流密度為5mA/cm2，電鍍時間為5分鐘。經過這樣的電沉積製備過程，就將作為過氧化氫還原電催化劑的金屬銀沉積在泡沫鎳的纖維絲上，並且保留了泡沫鎳的多孔結構，得到高性能的過氧化氫還原電極。
圖2是上述方法製得的多孔泡沫鎳為基底的電沉積銀催化劑電極在溫度為50℃條件下，3M氫氧化鈉(NaOH)、0.5M過氧化氫(H2O2)和40g/l氯化鈉(NaCl)混合溶液中的過氧化氫還原的陰極極化曲線。
圖3是上述方法製得的多孔泡沫鎳為基底的電沉積銀催化劑電極作為鋁/過氧化氫燃料電池陰極的電池性能曲線。該電池的陽極為BDW鋁合金，電解質溶液為3M氫氧化鈉(NaOH)、0.5M過氧化氫(H2O2)和40g/l氯化鈉(NaCl)的混合溶液，電池工作溫度為45℃。
權利要求
1.一種鋁/過氧化氫燃料電池陰極製備方法，以多孔泡沫鎳作為基底材料，經活化處理後，置於含銀鹽溶液的電化學沉積槽中，通過調節電沉積溶液中銀鹽溶液濃度、電流密度、溫度以及電化學沉積時間來控制銀催化劑顆粒的尺度大小、分布與晶體生長方式，同時保持泡沫鎳的多孔結構，將作為過氧化氫還原電催化劑的金屬銀沉積在泡沫鎳的纖維絲上；其具體步驟如下a)將泡沫鎳基底浸入濃度為1-3M的鹽酸溶液中，10-60分鐘後取出，去離子水衝洗；b)將步驟a活化處理後的泡沫鎳基底放入含有20-50g/l含銀離子的銀鹽電沉積溶液中，20～30℃下，電流密度為3-5mA/cm2，電鍍時間為2-5min，將金屬銀催化劑沉積在泡沫鎳的纖維絲上，並且保留了泡沫鎳的多孔結構，得到過氧化氫還原陰極。
2.按照權利要求1所述鋁/過氧化氫燃料電池陰極的製備方法，其特徵在於，所述泡沫鎳基底為導電且多孔的泡沫鎳材料。
3.按照權利要求1所述鋁/過氧化氫燃料電池陰極的製備方法，其特徵在於，所述銀鹽電沉積溶液為氰化銀鉀(KAg(CN)2)的銀鹽電沉積溶液。
4.按照權利要求1所述鋁/過氧化氫燃料電池陰極的製備方法，其特徵在於，過氧化氫還原陰極為多孔泡沫鎳纖維基底上電沉積銀催化劑的電極。
全文摘要
一種鋁/過氧化氫燃料電池陰極製備方法，其步驟如下a)將泡沫鎳基底浸入濃度為1－3M的鹽酸溶液中，10－60分鐘後取出，去離子水衝洗；b)將步驟a活化處理後的泡沫鎳基底放入含有20－50g/l含銀離子的銀鹽電沉積溶液中，20～30℃下，電流密度為3－5mA/cm
文檔編號C25D5/18GK1983687SQ200510126490
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月14日 優先權日2005年12月14日
發明者孫公權, 楊維謙, 楊少華, 孫偉, 辛勤 申請人:中國科學院大連化學物理研究所