[发明专利]用于氧还原反应的复合电极材料及其用途

说明书

本发明公开了一种用于氧还原反应的复合电极材料及其用途。该复合电极包括导电基底材料和涂布于所述导电基底材料表面的催化剂‑粘结剂混合材料；所述催化剂‑粘结剂混合材料为粘结剂与金属‑双纳米碳催化材料的混合固体。相对于现有技术，本发明通过将两种及以上的纳米碳复合用作催化剂载体，可大幅提高导电性和比表面积，同时二者费米能级的差异会导致纳米碳之间发生电荷分离，从而提高阴极的整体催化活性；高催化活性催化剂可加速阴极上氧的还原反应，提高阴极放电性能，从而可以利用海水等介质中的溶解氧进行放电，实现较高的功率密度和能量密度。在低氧环境下进行测试，该催化剂依然具有较好的低氧响应能力，显示出良好的低氧催化性能。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，尤其涉及一种用于氧还原反应的复合电极材料及其用途。

背景技术

海洋经济的巨大潜力和海洋研究的不断深入推动海洋能源供电系统持续向前发展。为了在海洋长期作业中为仪器、设备等提供足够的能量，发展海洋电力供应系统成为一项重要的能源发展战略。现有的海洋电力供应技术主要有联网型供电系统以及离网型供电系统两种：前者是通过海底电缆结合海底基站构建大规模联网电力输送网，其优点在于能够持续稳定供电，但是其高昂的造价以及维护费用限制其实际应用，且对于开展远岸研究或者海岛供电等长距离电缆送电会导致较大的电能损耗；后者则是利用天然可再生能源(如太阳能、风能、潮汐能、化学能等)转化为电能实现电力供应，真正做到因地制宜，绿色环保。但是太阳能、风能、潮汐能等天然能源受到客观水文地质条件或者气候条件的诸多限制，在中层、深层海水中无法利用。针对这些问题，国内外的研究工作者们聚焦海洋中最丰富的能源——海水化学能，开发利用海水充当电解质构建电化学能源转化装置——海水电池。

与许多海水能量采集装置(如盐差电池、温差电池、海泥电池等)不同，海水电池利用循环海水作为电解质或电子受体，能够提供较稳定的电能且不受特定外部地理条件限制，因此在海上作业、海底勘探、海洋救援以及海洋军事活动中都得到了广泛的应用。海水电池的最大优点是利用占地球表面70％的天然海水这一天然的多组分液态电解质(盐度≈3.5g·L^-1)，兼具生产成本低和环境友好等特点。独特的开放式结构设计使电池始终与周围海水保持压力一致，为其面向深海高压环境应用创造条件。此外，循环海水在不断补充反应物和带走惰性产物的同时还促进了电池的有效热传递，减轻了热管理负担，可显著提高大规模集成电路中的安全性和循环寿命。

海水电池从上世纪六七十年代发展至今，针对不同的应用场景衍生出多种工作原理的海水电池。目前海水电池主要有：铝-氧化银(Al-AgO)贮备式海水激活型一次电池，目前仍是鱼雷应用首选电源，可实现短期大功率放电，无法适应长期供电需求；金属-过氧化氢电池，目前主要用于无人水下自主航行器(AUV)的动力电池，据悉，Al-H₂O₂电池已经成功作为美国海军的1.1m长无人水下航行器HuginⅡ的主要动力电源，(The alkalinealuminium/hydrogen peroxide power source in the Hugin II unmanned underwatervehicle,Journal of Power Sources,1999,80(1-2):254-260)，可实现较大功率放电，但无法支持跨季甚至更长周期使用；金属-溶解氧海水电池，对于超长时间较低功率状态下持续运行的电子设备和小型无人潜航器等尤为适用，如水下通讯设备、水下导航设备、海底探测设备、航标指示设备等，使用周期可按年计。例如，日本东京大学的深海地震探测仪采用镁-溶解氧海水电池在5000m以下的深海持续供电5年，额定功率24W，总计能量密度可达318Wh·kg^-1(Practical application of a sea-water battery in deep-sea basin andits performance,Journal of Power Sources,2009,187(1),253-260)。