[发明专利]以二茂铁为阴极催化剂的直接硼氢化钠燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术，更具体的说，涉及一种以二茂铁为阴极催化剂的直接硼氢化钠燃料电池。

背景技术

近几年来，由于燃料电池(Fuel Cell)的技术获得创新突破，再加上环保问题与能源不足等多重压力相继到来，各国政府与汽车、电力、能源等产业渐渐重视燃料电池技术的发展。燃料电池是高效率、低污染、多元化能源的新发电技术，而燃料电池的发电系统，不但比传统石化燃料成本低，且有洁净、高效率的好处，更可结合核能、生物能、太阳能、风能等发电技术，将能源使用多元化、可再生化和持续使用。燃料电池使用醇类、天然气、氢气、硼氢化钠、肼等燃料转换成电流，借由外界输入的燃料为能量源，使其能持续产生电力，不需二次电池的充放电程序。充电时，只要清空充满副产品水的容器，然后再装进燃料(酒精等燃料)即可。燃料电池，简单的说就是一个发电机。燃料电池是火力、水力、核能外第四种发电方法。

随着纳米科技的发展，燃料电池在技术上已经有了重大的突破，特别是低温操作的质子交换膜型(proton exchange membrane fuel cell；PEMFC)的问世使燃料电池得以由高不可攀的太空科技应用领域进入民生应用的范畴，PEMFC已广被重视而成重点开发技术之一。

通常低温燃料电池都需要以贵金属材料为催化剂。为降低催化剂的成本，主要从以下两个方面展开工作：a.提高铂的利用率，降低其用量；b.寻找新的价格较低的非贵金属催化剂。为了降低电极铂用量，电极均不用纯铂，以高比表面炭为载体制备高分散的铂/炭催化剂，增加铂的表面积，提高铂的利用率。Siyu.Ye等用NaBH₄化学技术把炭化的聚丙烯腈泡沫橡胶浸渍到H₂PtCl₆溶液中(把Pt⁴⁺离子还原成Pt)。这种方法可把铂载量降低到0.013mg/cm²。S.Y.Cha等用等离子体散射技术在Nation电解质膜两侧表面直接沉积一层超薄铂层，铂载量达到了0.043mg/cm²，扩大了气体的反应面积，铂催化剂的利用率提高了近10倍。近期美国科学家发明了一种新型的氢燃料电池催化剂，聚吡咯钴，使用低成本的非贵重金属陷入杂原子聚合物结构中制成的。在测试中，这种催化剂的电能产生的活性要低于基于铂的PEMFC催化剂，但却在长达100小时的测试中表现出了很好的稳定性。目前对低成本催化剂的研究主要集中在过渡金属原子簇合物催化剂、中心含过渡金属的大环化合物催化剂和金属碳化物催化剂；另外氮化物、硫化物、硼化物以及硅化物等用作低温燃料电池催化剂也有报道，但这些催化剂的性能比较差，研究也比较少。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术中的不足，提供一种以二茂铁为阴极催化剂的直接硼氢化钠燃料电池。

为实现该目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

二茂铁是一种稳定且具有芳香性的金属有机化合物，具有夹心结构。铁原子被夹在两个平行的环戊二烯基之间，形成牢固的配位键。致使亚铁离子的性质和环戊二烯基的性质均消失，而显示出芳香性。它能溶于大多有机溶剂，但不溶于水。二茂铁与氧气相互作用形成接触电荷络合物(contact chargetransfer complex)：CCT络合物。CCT络合物组成不固定，是一种由于相互碰撞而具有暂时相互作用的络合物。电子给体(二茂铁化合物)和受体(氧气)之间的作用很弱。在酸性介质中，当氧气分子和二茂铁发生碰撞时，形成不稳定络合物，该络合物接受电子后与质子结合生成水和二茂铁。因此，二茂铁就像白金一样，在酸性介质中能发生如下氧气的电化学还原反应：

4H⁺+O₂+4e^-＝2H₂O

在碱性介质中，当氧气分子和二茂铁发生碰撞时，同样形成不稳定络合物，该络合物接受电子后与水分子结合生成氢氧根离子和二茂铁。因此，二茂铁也像白金一样，在碱性介质中能发生如下氧气的电化学还原反应：

2H₂O+O₂+4e^-＝40H^-

根据二茂铁催化剂上氧气的这些电化学还原特性，可以构建新型的燃料电池。