[发明专利]一种可用于氧化物燃料电池阳极的Ni－Ag纳米材料及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及兼有纳米科学和氧化物燃料电池领域，是发展新型洁净能源的一个重要方向，尤其是涉及一种氧化物燃料电池阳极纳米材料及其合成方法。

背景技术

燃料电池是通过电化学反应将化学能直接转变成电能的一种发电技术。与传统的火力发电不同，燃料电池不需要经过从燃料化学能→热能→机械能→电能的转变过程，能源利用率可高达75％以上。而且燃料的排放污染极低，被称之为21世纪的绿色能源技术。

燃料电池在未来将给人们的日常生活，从便携式电子装置，到汽车动力等带来一次全新的革命。但居高不下的价格阻碍了燃料电池进入日常百姓生活。般来说，仅燃料电池堆的成本就在每千瓦2000-5000美元左右。也就是说，要制造一个功率为100千瓦的氢燃料电池组，就要20-50万美元，这显然无法达到商业化要求。价格偏高的主要原因有：(1)在燃料电池的制备过程中，大量使用了稀有贵金属铂作为电极材料，使得燃料电池受催化剂铂的资源、价格等因素的制约。(2)关键部件，如电极材料、连接材料和电解质材料的制备方法过于复杂。

燃料电池具有高的能量转换效率。例如以H₂为燃料，发生在燃料电池的阳极(anode)和阴极(cathode)的反应为：

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

根据Gibbs自由能的变化计算25℃时的能量转换效率理论值为83％。然而实际的输出要比理论上值低。在总损耗中，电极的损耗占重要部分。主要原因是电极的催化活性低，电极和电解质接触面积小，界面电阻过大。为了减少输出电压的损失，首先选择的是增加电极材料的催化活性。而提高电极材料催化活性最直接的方法是降低颗粒尺寸达到增加比表面积和活性的目的。

本发明的目的就是在深入调研氧化物燃料电池阳极材料研究现状的基础上，提出了一种可用于氧化物燃料电池阳极Ni-Ag纳米材料及其简易的、无公害制备方法。

研究表明以Ni-Ag纳米材料为阳极的燃料电池在800℃时的单电池最高开路电压可达0.997V，功率密度达52.34mW/cm².

发明内容

本发明提出了几种Ni-Ag纳米燃料电池阳极材料及其合成方法(纳米燃料电池阳极材料的近绿色软化学方法)，目的在于制备出颗粒可控、具有高输出电压和功率密度的纳米燃料电池阳极材料。可以发展为应用前景广阔的新燃料电池阳极材料。

本发明采用溶剂热法合成纳米Ni-Ag燃料电池阳极材料，具体过程如下：将硝酸镍和硝酸银溶解于无水乙醇溶剂中，充分搅拌下加入氢氧化钠的乙醇溶液，将所得的混合物分装到反应釜，加热至160-220℃，保温。反应后，冷却到室温，洗涤、干燥。

我们通过以上方法制备的直径约为10-30nm的Ni-Ag纳米球形颗粒，具有较高的输出电压和功率密度。

本发明的Ni-Ag纳米燃料电池材料的制备技术简单、设备要求不高、成本低廉，并且整个反应过程仅使用了乙醇试剂，其反应产物为乙酸，没有产生其它有害液体，合成是绿色环保的。由于样品为粉体状态，很容易与其它材料混合加工，因此在燃料电池、纳米磁性材料等领域具有极大的应用前景。

附图说明

图1为Ni-Ag的X-射线衍射谱图。

图2为Ni-Ag的透射电镜照片。

图3为Ni-Ag阳极材料在燃料电池实验中的不同温度下的伏安特性曲线。

图4为Ni-Ag阳极材料在燃料电池实验中的开路电压随温度的变化。

具体实施方式

说明：所有样品都为分析纯，国药集团。按初始投料Ag∶Ni＝x∶y，样品记为AgxNiy。

实例1：制备金属Ag1Ni99纳米粉

取AgNO₃，Ni(NO₃)₂^·2(H₂O)按摩尔比为1∶99溶于乙醇中，阳离子浓度为0.1mol/L，将NaOH按OH^-∶M⁺＝10∶1(M为阳离子摩尔数，OH^-为NaOH摩尔数)加入上述溶液中，将所得混合物充分搅拌，并移入30mL反应釜中(填充度为70％)，在180℃烘箱中反应16h，反应后冷却至室温，用蒸馏水抽滤，烘干温度为60℃，即得到黑色粉末状纳米金属。