[发明专利]一种利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池及其制备方法，包括阳极和阴极，阳极和阴极之间通过质子交换膜相连接，阳极包括上电极，阳极石墨烯层和阳极黑磷烯催化剂层，阴极包括下电极、阴极石墨烯层和阴极黑磷烯催化剂层，阳极黑磷烯催化剂层和阴极黑磷烯催化剂层对称安装在质子交换膜的上、下两侧，上电极通过阳极石墨烯层连接在阳极黑磷烯催化剂层上，下电极通过阴极石墨烯层连接在阴极黑磷烯催化剂层上；本发明采用石墨烯黑磷烯异质结作为氢燃料电池的阴/阳极主体，能提高燃料电池第一步和第三步的效率，同时选取的二维材料石墨烯黑磷烯，把氢燃料电池做得很薄；降低制造成本。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池及其制备方法。

背景技术

20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的阿波罗飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，很快，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同，电网有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷，这就会导致停电或电压不稳。另外，传统的火力发电站的燃烧能量大约有70％要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会消耗大量的能源和排放大量的有害物质。而使用氢燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60％～80％，而且污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。

具有原子层厚度的2D材料由于其不同于体材料的优越性质而受到人们的广泛研究，如石墨烯，MoS₂等等。近年来，又一种新的2D材料少层黑磷烯已经能在实验条件下通过机械剥离的方法制备得到并且受到了人们的广泛关注。黑磷是一种具有金属光泽的晶体，可由白磷或红磷转化而来，体黑磷具有直接半导体带隙，且表现出与层数相关的特性，少层黑磷烯的电子迁移率为1000cm²/Vs，还具有非常高的漏电流调制率，使得其在未来的纳米电子器件中的应用有很大潜力。另外因其为直接带隙，其光学性质相比其他材料也有很大的优势，是目前新型二维材料研究的热点之一。

目前的燃料电池大部分是氢燃料电池，电池的体积大，并且燃烧效率低。通过分析得知效率低主要是燃料电池的阴阳两极的化学反应速率太慢。体积大主要是因为阴阳两极的厚度太大。二维材料的出现为燃料电池提供了新的思路，石墨烯具有高的电子迁移率，黑磷烯具有大的表面体积比。二者的优异特点结合构成的燃料电池的阴阳两极可以提供较高的反应速率。并且二维材料是单层结构可以根据电池的性能来选择所需材料的层数，以至于电池的阴阳两极做的很薄，最终使得电池的整体体积达到最小化。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种降低制备成本，提高氢燃料电池的效率的使用二维材料石墨烯黑磷烯的异质结作为氢燃料电池的阴极和阳极制备质子交换膜氢燃料电池及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种利用石墨烯黑磷烯异质结作为电极的氢燃料电池，所述的氢燃料电池包括阳极和阴极，阳极和阴极之间通过质子交换膜相连接，所述的阳极包括上电极，阳极石墨烯层和阳极黑磷烯催化剂层，所述的阴极包括下电极、阴极石墨烯层和阴极黑磷烯催化剂)层，阳极黑磷烯催化剂层和阴极黑磷烯催化剂层对称安装在质子交换膜的上、下两侧，上电极通过阳极石墨烯层连接在阳极黑磷烯催化剂层上，下电极通过阴极石墨烯层连接在阴极黑磷烯催化剂层上。

本发明所述的石墨烯黑磷烯异质结为黑磷烯层与石墨烯的之间形成的一种堆垛结构，阳极和阴极中石墨烯层与黑磷烯催化剂层的连接间距均为

本发明所述的阳极石墨烯层中石墨烯的层间距离为所述的阳极黑磷烯催化剂层中黑磷烯的层间距离为

本发明所述的所述的阳极黑磷烯催化剂层中的催化剂为Pt，所述阴极黑磷烯催化剂层中的催化剂为Pt与Pb的合金。