一種有序納米結構膜電極及其製備方法與流程

2023-06-10 03:12:41 1

本發明涉及燃料電池相關技術領域，涉及一種有序納米結構膜電極及其製備方法，特別是涉及一種應用於燃料電池的有序納米結構膜電極及其製備方法。

背景技術：

科技的日新月異誕生了種類繁多的可攜式移動電子設備，其功能的不斷強大直接導致傳統電池的容量已經不能滿足人們對於相應電子設備的耗電需求，因此開發一種體積小、輕便、持續時間足夠長的可攜式移動電源迫在眉睫。燃料電池的體積小、容量大、安全穩定等特點使其在移動電源領域顯示了優越性，通過加入燃料而實現長時間工作，其能量密度是鋰離子電池的數倍。近幾年，作為新型移動電源的未來發展趨勢，被動式直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cells，DMFC)是人們頗為關注的移動電源技術之一，利用甲醇作燃料來獲取電能並且省去了燃料供給泵和鼓風機，降低了輔助設備的能耗。它可以使得設備在不需要充電的前提下運行較長時間。

然而，目前的被動式DMFC在實際應用方面仍面臨著一些技術難題：(1)甲醇通過隔膜滲透，使燃料利用率和電池工作電壓降低；(2)甲醇電化學反應活性不高，即催化劑的利用率低；(3)低的功率密度，燃料和氧化劑完全靠自由擴散，難以穩定均衡地將甲醇和氧氣傳送到催化劑表面參與反應，導致系統性能較差。在正式投入市場應用之前，仍面臨很多嚴峻的技術挑戰。為了早日贏得市場的認可，許多研究工作還有待進一步深入以解決目前所存在的這些問題。

在目前的燃料電池研究中，由於甲醇的諸多優點，以及被動式不需要外部輔助設備，所以被動式的直接甲醇燃料電池成為一大研究熱點。整個電池的核心是膜電極集合體(Membrane Electrode Assemblies，MEA)，它是物料傳輸、電化學反應、電子和離子的傳輸以及能量轉移發生的場所，它的性能優劣直接影響到整個電池性能的高低。目前的研究主要集中在調控陽極、陰極的支撐層和催化層以及起重要作用的膜上。整體的研發趨勢是開發高性能的有序納米結構MEA。因此，如何製備出超薄、納米結構可控、(部分)有序、各界面相容性好的膜電極集合體成為國內外研究的主要目標，也是DMFC獲得高性能、實現實用化的關鍵。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種應用於燃料電池的有序納米結構膜電極的製備方法，用於提高現有技術中膜電極集合體的性能。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種有序納米結構膜電極的製備方法，所述製備方法至少包括以下步驟：

1)提供一基底和一多孔模板，所述基底包括碳紙和塗制在所述碳紙上的電極微孔層；

2)配製粘結劑，通過粘結劑將所述多孔模板與所述電極微孔層粘結；

3)配製混合電鍍液，利用電沉積在所述電極微孔層表面製備納米陣列；

4)沉積產物後處理，包括去除所述多孔模板及粘結劑，從而製備獲得有序納米陣列催化電極；

5)將所述有序納米陣列催化電極作為陰極和/或陽極，於所述陰極和陽極之間放置一質子交換膜並熱壓形成膜電極。

優選地，所述步驟1)中電極微孔層的塗制方法如下：

將碳粉、聚四氟乙烯溶液、異丙醇水溶液混合後超聲，在所述碳紙上塗上混合有所述聚四氟乙烯溶液、所述異丙醇水溶液的碳粉，燒結後得到所述電極微孔層。

更優選地，所述碳粉為碳納米管材料、碳纖維材料或碳微球材料。

更優選地，超聲時間設定為30～150min，所述碳紙上的聚四氟乙烯的質量分數為0～40％，所述碳紙上的碳粉的載量為0～2.0mg·cm-2，所述電極微孔層聚四氟乙烯的質量分數為0～50％，燒結溫度設定為100～500℃，燒結時間設定為10～60min。

優選地，所述步驟2)中粘結劑的配製方法如下：

將聚偏氟乙烯與N-甲基吡咯烷酮混合併磁力攪拌，得到聚偏氟乙烯溶液作為粘結劑。

更優選地，磁力攪拌的溫度設定為20～80℃，磁力攪拌的時間設定為1～10h，所述聚偏氟乙烯溶液的質量分數為2％～15％。

優選地，所述步驟2)中多孔模板與所述基底的粘結方法如下：

將所述粘結劑塗在所述電極微孔層上，然後將多孔模板粘結在所述電極微孔層上並靜置。

更優選地，所述粘結劑的用量設定為2.0～15.0mgcm-2，所述多孔模板為陽極氧化鋁模板、二氧化鈦納米管模板或者聚碳酸酯多孔模板，所述多孔模板的雙通孔徑設定為50～400nm，靜置時間設定為0～30min。

優選地，所述步驟3)中混合電鍍液的配製方法如下：

將鉑前驅體或鉑前驅體及貴金屬化合物與酸液、鉛鹽混合後製備成所述混合電鍍液，並靜置。

更優選地，所述鉑前驅體為氯鉑酸納或氯鉑酸中的一種或兩種的組合，所述貴金屬化合物為氯化鈀、氯化鎳、氯化鉻、硝酸鎳、硝酸鉻或三氯化釕，所述酸液為高氯酸或稀硫酸，所述鉛鹽為醋酸鉛或硝酸鉛。

更優選地，所述混合電鍍液中鉑前驅體濃度為1～10mM，貴金屬化合物濃度為1～10mM，酸液濃度為0.01～0.2M，鉛鹽濃度為0.02～0.4mM。

更優選地，所述混合電鍍液的靜置時間設定為0～24h。

優選地，所述步驟3)中電沉積製備方法如下：

3-1)將粘結的所述基底與所述多孔模板，以及所述混合電鍍液裝入沉積裝置；

3-2)以塗布了電極微孔層的所述碳紙作為工作電極，電極微孔層一側直接與混合電鍍液接觸，鉑金屬線作為對電極，飽和甘汞電極作為參比電極，使用循環伏安法進行電沉積；

3-3)電沉積完之後拆開所述沉積裝置，將沉積有納米陣列的電極微孔層靜置。

更優選地，電沉積電壓設置為-1.0～0V，電沉積時間設定為1000～15000s，所述沉積有納米陣列的電極微孔層靜置時間設定為4～24h。

優選地，所述步驟4)中沉積產物後處理方法如下：

將電沉積製備的所述納米陣列用溶解的方法除去所述多孔模板，然後用N-甲基吡咯烷酮除去所述粘結劑，再用水、乙醇交替洗滌數次，之後真空乾燥條件下得到所述有序納米陣列催化電極。

更優選地，所述多孔模板為鹼性或兩性模板，則使用濃度設定為1.0～3.0M的鹼液來溶解所述多孔模板；所述多孔模板為聚碳酸酯多孔模板，則用四氯化碳、三氯甲烷或四氫呋喃溶劑來溶解所述多孔模板；除去粘結劑時N-甲基吡咯烷酮溶液加熱溫度設定為20～90℃，真空乾燥的溫度設定為30～100℃。

本發明還提供一種所述的製備方法製備獲得的有序納米結構膜電極。

本發明再提供一種有序納米催化電極，所述催化電極至少包括：

基底，所述基底包括碳紙和塗制在所述碳紙上的電極微孔層；

納米陣列，沉積在所述電極微孔層表面。

本發明另外還提供一種利用所述有序納米陣列催化電極作為陰極和/或陽極應用於膜電極的用途。

如上所述，本發明的有序納米陣列催化電極的製備方法，具有以下有益效果：本發明的應用於燃料電池的有序納米陣列催化電極的製備方法通過模板法電沉積路徑，將含鉑或鉑合金納米線或納米管沉積在多孔模板中，除去多孔模板，得到一維有序納米結構的鉑或鉑合金 納米陣列催化電極，本發明在基底上直接製備納米線或者納米管陣列，從而製得有序納米結構的催化電極，並用所製得的有序納米結構電極直接壓合形成有序納米結構膜電極集合體，革新了電池核心部件膜電極集合體中的電極製備方法，大幅提高了膜電極集合體的催化活性、貴金屬催化劑的利用率和電極內部的傳質效率。

附圖說明

圖1顯示為本發明的應用於燃料電池的有序納米陣列催化電極的製備方法流程示意圖。

圖2顯示為本發明的電極微孔層及鉑納米線電催化劑的X射線衍射示意圖。

圖3顯示為本發明的鉑納米線電催化劑的電子掃描顯像示意圖。

圖4顯示為本發明的鉑納米線電催化劑的透射電鏡示意圖。

圖5顯示為本發明的有序鉑納米線電催化劑電極所得的直接甲醇燃料電池組件與現有技術的燃料電池的性能測試圖譜。

圖6顯示為本發明的鉑納米管電催化劑的電子掃描顯像示意圖。

元件標號說明

S1～S5 步驟一～步驟五

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1～圖6。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。

如圖1所示，本發明提供一種應用於燃料電池的有序納米結構膜電極的製備方法，所述有序納米結構膜電極的製備方法至少包括以下步驟：

S1，提供一基底和一多孔模板，所述基底包括碳紙和塗制在所述碳紙上的電極微孔層；

S2，配製粘結劑，通過粘結劑將所述多孔模板與所述電極微孔層粘結；

S3，配製混合電鍍液，利用電沉積在所述電極微孔層表面製備納米陣列；

S4，沉積產物後處理，包括去除所述多孔模板及粘結劑，從而製備獲得有序納米陣列催化電極；

S5，將所述有序納米陣列催化電極作為陰極和/或陽極，於所述陰極和陽極之間放置一質子交換膜並熱壓形成膜電極。

下面詳細介紹本發明的有序納米結構膜電極的製備方法。

首先執行步驟S1：提供一基底和一多孔模板，所述基底包括碳紙和塗制在所述碳紙上的電極微孔層。

所述電極微孔層的塗制具體過程為：將碳粉、聚四氟乙烯(Polytetrafluoro Ethylene，PTFE)溶液、異丙醇(Iso-Propyl Alcohol，IPA)水溶液混合後超聲30～150min，在含有質量分數為0～40％PTFE的碳紙上塗上載量為0～2.0mg·cm-2的混合有所述PTFE溶液、所述IPA水溶液的碳粉，在100～500℃溫度條件下燒結10～60min後得到所述電極微孔層。

所述碳粉可以是碳納米管材料、碳纖維材料或碳微球材料，當然，所述碳粉也可以是其他合適的碳材料，在此不限。

所述多孔模板為陽極氧化鋁模板、二氧化鈦納米管模板或者聚碳酸酯多孔模板，當然，所述多孔模板也可以是其他合適的多孔材料，在此不限。

然後執行步驟S2：配製粘結劑，通過粘結劑將所述多孔模板與所述電極微孔層粘結。

具體配置粘結劑的方法為：將聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)與N-甲基吡咯烷酮(N-Methyl Pyrrolidone，NMP)混合併在20～80℃溫度條件下磁力攪拌1～10h得到質量分數為2％～15％的PVDF溶液作為粘結劑。

具體將所述多孔模板和基底粘結的方法為：將2.0～15.0mg·cm-2所述PVDF溶液塗在所述電極微孔層上，然後將雙通孔徑設定為50～400nm的多孔模板粘結在所述電極微孔層上並靜置0～30min。

接著執行步驟S3：配製混合電鍍液，利用電沉積在所述電極微孔層表面製備納米陣列。

所述混合電鍍液的配製方法為：將鉑前驅體或鉑前驅體及貴金屬化合物與酸液、鉛鹽混合後製備成所述混合電鍍液，並靜置0～24h。其中，所述鉑前驅體可以是氯鉑酸納、氯鉑酸中的一種或兩種的混合，所述貴金屬化合物可以是氯化鈀、氯化鎳、氯化鉻、硝酸鎳、硝酸鉻或三氯化釕，所述酸液可以是高氯酸或稀硫酸，所述鉛鹽則可以是醋酸鉛或硝酸鉛。在本實施例中，所述混合電鍍液中所述鉑前驅體濃度為1～10mM，所述貴金屬化合物濃度為1～10mM，所述酸濃度為0.01～0.2M，所述鉛鹽濃度為0.02～0.4mM。

本步驟中電沉積的方法為：首先，將粘結的所述基底與所述多孔模板，以及所述電鍍液裝入沉積裝置；然後，以所述碳紙作為工作電極，微孔層一側直接與電鍍液接觸，鉑金屬線 作為對電極，飽和甘汞電極作為參比電極，使用循環伏安法進行電沉積；電沉積電壓設置為-1.0～0V，電沉積時間設定為1000～15000s；在氮氣保護條件下進行電沉積；電沉積完之後拆開所述沉積裝置，將沉積有鉑或鉑合金納米陣列的電極微孔層靜置4～24h。所述鉑或鉑合金納米陣列的形貌尺寸可通過沉積時間及所述混合電鍍液濃度調控，最後獲得的鉑或鉑合金納米陣列可以是納米線或納米管等。

需要說明的是，電沉積生長的納米陣列生長在電極微孔層表面，並且該納米陣列穿過所述多孔模板的雙通孔。

接著執行步驟S4：沉積產物後處理；包括去除所述多孔模板及粘結劑，從而製備獲得有序納米陣列催化電極。

具體過程為：將電沉積製備的所述納米陣列用溶解的方法去除所述多孔模板，例如，若多孔模板為陽極氧化鋁模板或二氧化鈦納米管模板等鹼性或兩性模板，則使用濃度設定為1.0～3.0M的鹼液來溶解所述多孔模板；若所述多孔模板為聚碳酸酯多孔模板，則用四氯化碳、三氯甲烷或四氫呋喃溶劑來溶解所述多孔模板，再用水、乙醇交替洗滌數次，並在30～100℃溫度條件下真空乾燥，得到所述有序納米陣列催化電極。所述有序納米陣列催化電極在直接甲醇燃料電池膜電極中作為陰極和/或陽極使用。

最後執行步驟S5：將所述有序納米陣列催化電極作為陰極和/或陽極，於所述陰極和陽極之間放置一質子交換膜並熱壓形成膜電極。

將噴塗或刮塗的方式在有序納米陣列電極的表面附著一層Nafion樹脂，經過烘乾處理，在130℃、3～6MPa的條件下，熱壓形成陰、陽極和質子交換膜「三合一」的膜電極集合體。

本發明還提供一種有序納米結構膜電極，該膜電極利用上述製備方法所述製備獲得，所述膜電極的結構包括：陰極、陽極以及熱壓形成於所述陰極和陽極之間的質子交換膜。其中，陰極和陽極可以都為本發明製備的有序納米陣列催化電極，或者僅僅陽極或者陰極為本發明製備的有序納米陣列催化電極。

所述有序納米陣列催化電極至少包括：基底，所述基底包括碳紙和塗制在所述碳紙上的電極微孔層；納米陣列，沉積在所述電極微孔層表面。

實施例一

本實施例提供一種有序鉑納米線膜電極的製備方法，包括以下步驟：

分別稱取20.0mg的碳納米管、40.4mg質量分數為12.39％的聚四氟乙烯(PTFE)溶液、200mg的異丙醇(IPA)水溶液(IPA:H2O＝1：1)，並將其混合後超聲120min時間；在含有質量分數為20％PTFE的碳紙上使用刮刀塗抹載量2.0mg·cm-2碳納米管；再在350℃溫度下進 行燒結30min得到陰極微孔層。

稱取聚偏氟乙烯(PVDF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)，配製PVDF質量分數為8.14％的混合溶液；在25℃條件下磁力攪拌8h，得到PVDF溶液作為粘結劑。

吸取約50.0mg的PVDF溶液塗在所述陰極微孔層上並用刮刀刮平使得塗在微孔層上PVDF溶液約32.0mg，然後將雙通孔徑為200nm的多孔陽極氧化鋁模板(AAO模板)粘結在所述陰極微孔層上並靜置10min，待所述陰極微孔層與所述AAO模板粘結。

將1.0g六水合氯鉑酸(H2PtCl6·6H2O)倒入50ml容量瓶並加水到刻度線，然後用移液器量取25.896ml到100ml容量瓶；接著量取0.847ml高氯酸到100ml容量瓶；再稱取7.6mg醋酸鉛到100ml容量瓶，混合製備成電鍍液，並靜置12h。

將粘結後的所述基底與所述AAO模板裝入沉積裝置，取25ml靜置後的所述電鍍液倒入沉積裝置；以所述碳紙作為工作電極，微孔層一側直接與電鍍液接觸，鉑金屬線作為對電極，飽和甘汞電極作參比電極；設置沉積電壓區間-0.5～0V、沉積時間10000s；在氮氣保護條件下使用循環伏安法進行電沉積；電沉積之後拆開裝置，將沉積有鉑納米線的所述陰極微孔層碳紙靜置12h。

用2.0M的NaOH溶液除去所述沉積有鉑納米線的陰極微孔層碳紙上的AAO模板，然後用NMP除去PVDF粘結劑，再用水、乙醇交替洗滌數次，並在75℃溫度條件下真空乾燥得到鉑納米線電催化劑電極。

將本實施例獲得的鉑納米線電催化劑進行表徵，如圖2所示，獲得電極微孔層及鉑納米線電催化劑的X射線衍射圖(XRD圖)，以2θ的角度掃描整個衍射區域，作為X射線衍射譜的橫坐標；以不同衍射角(2θ)的衍射峰的強度作為縱坐標。如圖3所示為本實施例的鉑納米線電催化劑的電子掃描顯像圖(SEM圖)，從電子掃描顯像系統中可測量得到所述鉑納米線電催化劑的直徑約200nm。如圖4所示為本實施例的鉑納米線電催化劑的透射電鏡圖(TEM圖)，從透射電鏡系統中可測量得到所述鉑納米線電催化劑的長為3～5μm。

對本實施例的鉑納米線催化電極與商業化的Pt黑(Johnson Matthey)催化劑進行比較，將本實施例所得的有序鉑納米線催化電極用在陰極催化層，得到直接甲醇燃料電池組件；將現有技術中的Nafion115膜組成燃料電池：

(1)陽極支撐層：碳紙TGPH060，質量分數為20％的防水材料(東麗公司)；陽極微孔層：碳粉Vulcan XC-72R(1.0mg·cm-2)(Cabot公司)和質量分數為20％的PTFE(Dupont公司)；陽極催化層：Pt-Ru/C(4.0mg·cm-2)，質量分數為5.03％的全氟磺酸-聚四氟乙烯共 聚物(Nafion)溶液(Dupont公司)。

(2)陰極支撐層：碳紙TGPH060，質量分數20％的防水材料；陰極微孔層：碳納米管(2mg·cm-2)和質量分數為12.89％的PTFE；本實施例的陰極催化層：本實施例的鉑納米線和質量分數為5.03％的Nafion溶液；現有技術的陰極催化層：鉑納米粒子，質量分數為5.03％的Nafion溶液。

(3)Nafion115膜(Dupont公司)。

上述陽極催化層中的Pt-Ru/C均來於Johnson Matthey公司(簡寫JM公司)；上述陰極催化層中的Pt/C均來於JM公司。

對本實施例所得的有序鉑納米線電催化劑電極所得的直接甲醇燃料電池組件和現有技術中的Nafion115膜組成的燃料電池進行測試，如圖5所示為催化劑載量為2.0mg·cm-2、1.5mg·cm-2、1.0mg·cm-2及0.5mg·cm-2時的性能測試圖譜，從該圖譜中可知：分別將製得的膜電極集合體用於直接甲醇燃料電池上進行性能測試，採用本實施例所得的有序鉑納米線催化電極的直接甲醇燃料電池的功率密度大，其性能優於採用商業化催化劑(JM)的直接甲醇燃料電池。

實施例二

本實施例提供一種有序鉑納米管膜電極的製備方法，包括以下步驟：

分別稱取60.0mg的碳納米管、179.2mg質量分數為8.37％的PTFE溶液、600mg的IPA水溶液(IPA:H2O＝1：1)，並將其混合後超聲120min時間；在含有質量分數為20％PTFE的碳紙上使用刮刀塗抹載量2.0mg·cm-2碳納米管；再在350℃溫度下進行燒結30min得到陰極微孔層。

稱取PVDF和NMP，配製PVDF質量分數為5.28％的混合溶液；在25℃條件下磁力攪拌8h，得到PVDF溶液作為粘結劑。

吸取約50mg的PVDF溶液塗在所述陰極微孔層上並用刮刀刮平使得塗在微孔層上PVDF溶液約32mg，然後將雙通孔徑為200nm的AAO模板粘結在所述陰極微孔層上並靜置10min，待所述陰極微孔層與所述AAO模板粘結。

將1.0g H2PtCl6·6H2O倒入50ml容量瓶並加水到刻度線，然後用移液器量取7.769ml到100ml容量瓶；接著量取0.254ml高氯酸到100ml容量瓶；再稱取2.3mg醋酸鉛到100ml容量瓶，混合製備成電鍍液，並靜置12h。

將粘結後的所述基底與所述AAO模板裝入沉積裝置，取25ml靜置後的所述電鍍液倒入 沉積裝置；以所述碳紙作為工作電極，微孔層一側直接與電鍍液接觸，鉑金屬線作為對電極，飽和甘汞電極作為參比電極；設置沉積電壓區間-0.5～0V、沉積時間10000s；在氮氣保護條件下使用循環伏安法進行電沉積；電沉積之後拆開裝置，將沉積有鉑納米管的所述陰極微孔層碳紙靜置12h。

用2.0M的NaOH溶液除去所述沉積有鉑納米管的陰極微孔層碳紙上的AAO模板，然後用NMP除去PVDF粘結劑，再用水、乙醇交替洗滌數次，並在75℃溫度條件下真空乾燥得到鉑納米管電催化劑電極。

將本實施例獲得的鉑納米線電催化劑進行表徵，如圖6所示為本實施例的鉑納米線電催化劑的電子掃描顯像圖(SEM圖)，從電子掃描顯像系統中可測量得到所述鉑納米線電催化劑的直徑約200nm。

實施例三

本實施例提供一種有序鉑釕納米線催化電極的製備方法，包括以下步驟：

分別稱取80.0mg的XC-72碳粉(Cabot公司)、161.4mg質量分數為12.39％的PTFE溶液、800mg的IPA水溶液(IPA:H2O＝1：1)，並將其混合超聲120min時間；在含有質量分數為20％PTFE的碳紙上使用刮刀塗抹載量2.0mg·cm-2碳粉；再在350℃溫度下進行燒結30min得到陽極微孔層。

稱取的PVDF和NMP，配製PVDF質量分數為9.37％混合溶液；在25℃條件下磁力攪拌8h，得到PVDF溶液作為粘結劑。

吸取50.0mg的PVDF溶液塗在所述陽極微孔層上並用刮刀刮平使得塗在微孔層上PVDF溶液約32.0mg；然後將雙通孔徑為400nm的AAO模板粘結在所述陽極微孔層上並靜置10min，待所述陽極微孔層與所述AAO模板粘結。

將1.0g H2PtCl6·6H2O倒入50ml容量瓶並加水到刻度線，然後用移液器量取25.896ml到100ml容量瓶；取1.0g一水合三氯化釕倒入50ml容量瓶並加水至刻度線，然後用移液器量取11.27ml倒入100ml容量瓶；接著量取0.847ml高氯酸到100ml容量瓶；再稱取7.6mg醋酸鉛到100ml容量瓶，混合製備成電鍍液，靜置12h。

將粘結後的所述基底與所述AAO模板裝入沉積裝置，取25ml靜置後的所述混合電鍍液倒入沉積裝置。以碳紙作為工作電極，微孔層一側直接與電鍍液接觸，鉑金屬線作為對電極，飽和甘汞電極作參比電極；設置沉積電壓區間-0.5～0V、沉積時間10000s；在氮氣保護條件下使用循環伏安法開始電沉積；電沉積之後拆開裝置，將沉積有鉑釕納米線的所述陽極微孔層 碳紙靜置12h。

用2.0M的NaOH溶液除去所述沉積有鉑釕納米線的陽極微孔層碳紙上的AAO模板，然後用NMP除去PVDF粘結劑，再用水、乙醇交替洗滌數次，並在75℃溫度條件下真空乾燥得到鉑釕納米線電催化劑電極。

本發明在碳紙的表面塗抹一層碳材料構成電極微孔層，配製一定濃度的PVDF溶液作為粘結劑，將電極微孔層與多孔模板通過粘結劑粘結起來，然後配製一定濃度的貴金屬前軀體、酸液以及鉛鹽等組成的混合電鍍液，在氮氣保護條件下進行電沉積，得到直徑及長度可控得的納米陣列催化電極，通過熱壓的方法製得膜電極組件，用於直接甲醇燃料電池。

本發明的應用於燃料電池的有序納米陣列催化電極的製備方法通過模板法電沉積路徑，將含鉑或鉑合金納米線或納米管沉積在多孔模板中，除去多孔模板，得到一維有序納米結構的鉑或鉑合金納米陣列催化電極，將有序納米結構的鉑或鉑合金納米陣列應用於燃料電池的膜電極集合體，大幅提高了膜電極集合體的催化活性和貴金屬催化劑的利用率。進一步，用於直接甲醇燃料電池可提高燃料電池的性能。

綜上所述，本發明提供一種有序納米結構膜電極及其製備方法，包括微孔層的塗制、粘結劑的配製、多孔模板與基底的粘結、混合電鍍液的配製、納米陣列的製備、產物的後處理以及膜電極集合體的壓合。本發明的核心技術在於有序納米陣列催化電極的製備，主要是通過模板法電沉積路徑，將含鉑或鉑合金納米結構沉積在多孔模板中，除去多孔模板和粘結劑，得到直接生長在微孔層上的一維有序的納米陣列催化電極，進而壓合獲得膜電極。本發明不需要任何轉印或轉壓的方法，即可將有序納米結構應用到膜電極集合體中，提出了一種新型的多孔電極結構，並革新了膜電極集合體的製備工藝，大幅提高了電極的催化活性和貴金屬的利用率，進一步用於燃料電池可大幅提高電池性能。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。