[发明专利]非金属氧还原电极及其制备方法

说明书

技术领域

本申请属于电池领域，特别是涉及一种非金属氧还原电极及其制备方法。

背景技术

不论是作为能源使用需要的燃料电池还是能源储存需要的金属空气电池，都需要有较高效率的氧还原电极。传统的氧还原电极催化剂是金属铂，它具有较高的电流效率，但是也存在很多问题限制其使用及寿命。例如，铂作为一种稀缺资源，价格昂贵，提高了电池的成本。其次，铂在使用时并没有固定，所以很容易出现聚集以及移位现象，大大降低其使用效率。特别的，在醇类燃料电池或者空气供给的电池中都难以避免一氧化碳的存在，而铂对一氧化碳非常敏感，容易失去催化活性，导致电池效率急剧下降。为了克服这些问题，人们研究开发了许多非铂类以及非贵金属类的金属电极，但是这些问题依然不同程度的存在，特别是一氧化碳导致催化剂失活的问题难以克服。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提供一种非金属氧还原电极及其制备方法，所获得的非金属氧还原电极不会发生传统金属催化剂的移位、聚集和中毒等问题，成本低廉，且在碱性、酸性环境中都有较好的催化效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开一种非金属氧还原电极的制备方法，其中，该方法为：在导电介质表面上分散有含氧化剂和碱抑制剂的溶液，挥发溶剂后将带有氧化剂和碱抑制剂的混合物层的导电介质暴露于含有乙撑二氧噻吩单体的气氛中，使乙撑二氧噻吩单体在7℃~120℃的温度下于导电介质表面聚合形成聚合物催化剂。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，还包括将载有聚合物催化剂的导电介质进行洗涤的过程，该洗涤方法为以水性溶剂浸泡洗涤，然后挥发溶剂得到非金属氧还原电极。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，所述氧化剂包括三价铁盐，所述碱抑制剂包括小分子碱，所述碱抑制剂与氧化剂的摩尔比为0~2，所述溶液中氧化剂的含量为0wt%~40wt%。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，所述溶液中氧化剂的含量为20wt%~40wt%。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，所述氧化剂为对甲苯磺酸铁或氯化铁。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，所述小分子碱为吡啶、吡咯、咪唑或四取代（二甲胺基）乙烯。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，所述导电介质电阻率小于1Ωcm²。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，所述溶液中的溶剂包括小分子醇。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，所述小分子醇为甲醇、乙醇、异丙醇或丁醇。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，所述含氧化剂和碱抑制剂的溶液是喷涂在导电介质表面上，该喷涂方法为在氮气气压下使用喷枪在导电介质上进行喷涂。

优选的，在上述非金属氧还原电极的制备方法中，所述含有乙撑二氧噻吩单体的气氛是指空气、氮气或者氩气流动下带入的挥发性乙撑二氧噻吩单体。

本发明还公开了一种由上述制备方法获得的非金属氧还原电极。

本发明还公开了一种非金属氧还原电极，包括导电介质和催化剂，其中，所述催化剂由聚3，4-乙撑二氧噻吩和小分子掺杂剂构成，聚3，4-乙撑二氧噻吩的重复单元与小分子掺杂剂的摩尔比为1~10，所述小分子掺杂剂为小分子酸和/或小分子碱。

优选的，在上述非金属氧还原电极中，所述小分子酸选自对甲苯磺酸、被部分取代的对甲苯磺酸、盐酸、溴化氢、碘化氢、十四烷基磺酸、4-乙烯苯磺酸和樟脑磺酸中的一种或多种。

优选的，在上述非金属氧还原电极中，所述小分子碱选自吡啶、吡咯、咪唑和四取代（二甲胺基）乙烯中的一种或多种。

优选的，在上述非金属氧还原电极中，所述导电介质电阻率小于1Ωcm² 。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的电极催化剂是一种高分子材料，具有氧还原催化活性，不会发生传统金属催化剂的移位、聚集和中毒等问题，且成本低廉。本发明的氧还原电极在碱性、酸性环境中都有较好的催化效果，可应用于质子交换膜燃料电池，直接醇类燃料电池，碱性燃料电池以及金属-空气电池等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。