[发明专利]利用导电聚合物修饰碳载氢氧化钴复合催化剂的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地说，是一种利用导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的直接液体燃料电池。

背景技术

采用质子交换膜为电解质的直接液体燃料电池(DLFC)，无需经过卡诺循环，直接将储存在液体燃料中的化学能转变为电能，是一种新型的绿色能源技术。DLFC除了具有其他燃料电池所共有的能量转换效率高、低排放、无污染和无噪音等优点，另外还具有独到的优势：常温使用、结构简单、燃料携带补给方便、体积和重量比能量密度高和红外信号弱。尤其适合作小型可移动及便携式电源，在国防、通讯、电动车等方面有极佳的潜在应用前景。其中DLFC的液体燃料包括：碱性硼氢化钠溶液，肼溶液，甲醇溶液，乙醇溶液，甲酸溶液等，本发明涉及的液体燃料主要是碱性硼氢化钠溶液和碱性肼溶液。

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，降低其担载量；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，通常电极采用高比表面炭为载体制备高分散的铂/炭催化剂，以增加铂的表面积，提高铂的利用率。对非贵金属催化剂的研究主要集中在含过渡金属氧化物、含过渡金属的大环化合物和过渡金属等，其中，MnO₂和Ag虽然具有较好的催化活性，但是与铂相比还是具有一定的差距(Liu等，Journal of Power Sources，2007，164：100；Feng等，Electrochemistry Communication 2005，7：449)；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

本发明目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的直接液体燃料电池。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种利用导电聚合物修饰碳载氢氧化钴复合催化剂的燃料电池，包括以泡沫镍作为基体的负极和以经憎水处理的碳纸或碳布作为基体的正极，所述负极通过以下方式制得：将导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂、水、浓度为5wt％的全氟磺酸基树脂溶液和无水乙醇按照1∶3∶7∶3～1∶6∶7∶6的质量比例混合调制成浆料，涂覆到泡沫镍上，自然晾干即可；

所述导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂通过以下步骤制得：

(1)导电聚合物修饰的碳载体的制备

将碳材料分散到水、甲醇或者氯仿中配成悬浊液，其质量比为1∶10～30；加入冰乙酸或者盐酸调节pH值为1～4，室温搅拌10～30min；按与碳材料的质量比为1∶4～1∶5加入吡咯或噻吩搅拌5～10min，然后加入浓度为3～30wt.％的H₂O₂或者FeCl₃水溶液20～50ml，作为聚合反应的引发剂，室温搅拌3～10h；产物用温去离子水洗涤，真空干燥后制得导电聚合物修饰的碳载体；

(2)导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备

取前述导电聚合物修饰的碳载体与去离子水配成悬浊液加入三颈烧瓶，其中碳载体与去离子水的质量比为1∶15～1∶25；再加入钴盐溶液，其中碳载体与钴盐的质量比为1∶0.2～1∶1，搅拌回流加热至70～90℃；缓慢加入浓度为0.5M的碱性硼氢化钠溶液20ml作为还原剂，剧烈搅拌30～60min后，自然冷却；用去离子水洗涤过滤后，真空70～90℃干燥6～12h后制得导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂。

作为一种改进，所述钴盐为下述中的任意一种：无机钴盐：硝酸钴、氯化钴、硫酸钴，或有机钴盐：草酸钴、醋酸钴。

作为一种改进，所述正极通过以下方式制得：将导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂、水、浓度为10wt％的聚四氟乙烯乳液和无水乙醇按照1∶3∶7∶3～1∶6∶7∶6的质量比例混合调制成浆料涂覆在经憎水处理后的碳布或碳纸上，350℃烘1～2h后，自然冷却至室温即可；所述的导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的担载量为0.5～15mg cm^-2。

作为一种改进，所述作为正极基体的经憎水处理的碳纸或碳布的制备过程如下：将碳纸或者碳布浸没在10wt.％聚四氟乙烯乳液中，浸渍2～4min后，用滤纸吸干残余的聚四氟乙烯乳液，将基体放入马弗炉中350℃煅烧1～2h，自然冷却至室温即可。