[发明专利]一种硅基有序化电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种硅基有序化电极及其制备方法和应用,所述硅基有序化电极，以气体扩散层或电解质膜为基底，所述电极微观上为基底表面附着有具有平行排列的硅基纳米线阵列结构，硅基纳米线垂直垂直附着于基底表面，所述纳米线表面依次生长或附着有导电碳层、金属纳米粒子层和聚离子层；所述纳米线长度为1‑100μm；直径为0.02‑4微米；所述纳米线阵列的密度为每平方毫米4×10⁴‑1×10⁸个纳米线。与现有技术相比，本发明具有结构有序可控、贵金属催化活性高、贵金属利用率高、传质性能好、实用性强等优点。

技术领域

本发明涉及一种新型多级有序的复合纳米材料及其结构，具体的说这种材料具有一种有序纳米线阵列，纳米线表面具有碳层修饰与铂纳米粒子层修饰，最外层具有全氟磺酸聚离子修饰层，其可用于质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池、金属空气电池和超级电容器、电化学传感器等电极中。

本发明还涉及上述复合材料的制备方法。

背景技术

具有有序纳米结构的电荷传导与电催化功能的复合材料在电子、能源、生物医药等领域具有巨大的应用潜力。电极中适用于电化学环境的导电材料通常为基于碳的各类纳米材料，例如碳纳米管、石墨烯、活性炭等。这类材料具有的一个显著特点为其通常呈现出柔性特征。在燃料电池电极等的应用领域，结构上的有序性以及电荷、物质传导的可控性是研究电极基本过程、阐释电极电化学行为的基本要求。电化学环境中的微观流体存在着与宏观流体截然不同的行为机制，其更为复杂多变的环境特征与传输结构使得对其的深入研究充满了困难与挑战。因此，设计并制备出与理论接近的模型电极结构，并开发出能有效表征电极过程的手段，是研究燃料电池中电化学微流体传质行为本质的关键所在。以质子交换膜燃料电池氧还原反应阴极为例，其电极基本过程依次为氧气分子通过对流、扩散等传递并吸附于铂等催化活性位点表面，通过质子交换膜迁移的氢离子进一步通过聚离子等传输通道迁移至活性位点，在一定电位下与吸附的氧气分子发生质电耦合电化学反应，产物水离开活性位点并沿孔道排出，生成的电子沿导电载体传导并对外做功。包含传输气体、液体、质子、电子的四个通道，是燃料电池电极的基本组成要素，而平行于传质方向的通道则是一种理想的电极结构。

具有有序阵列结构的电极被普遍认为是一种研究燃料电池电极过程的理想平台，并可能成为膜电极未来发展的方向之一。为了研究燃料电池的物质传递过程，这种阵列结构还需满足如下条件。首先，构成阵列的材料需要足够的导电性；阵列构成的孔道尺寸及孔隙率可在一定范围内有效调控；阵列表面需要具有质子传导功能的结构；最后，阵列材料表面需要一定密度的催化活性材料。目前可用于燃料电池电极的阵列结构，大多基于碳纳米管或碳纳米纤维等材料。这类材料由于CVD等方法的局限，往往无法实现孔道尺寸及孔隙率一致性以及可控调节，同时由于材料本身的刚性不足，在电极组装过程中其结构容易受到破坏，无法实现模型电极的研究功能。另一方面，目前针对燃料电池电极结构及过程的实时原位研究方法仍较为匮乏，气液物质传递的各项参数难以在线检测，也成为目前电极过程研究的主要障碍。

本发明通过模板印刷与化学刻蚀方法制备具有较高机械强度与结构精确可控的硅基阵列结构，并通过气相沉积修饰导电碳层与铂基催化活性粒子，构建具有均一、有序、尺寸精确的模型结构电极。

发明内容

本发明将制备一种基于刚性硅基材料的有序阵列模型电极的控制制备，这种电极具有在垂直于电解质膜方向上有序的硅纳米线阵列，阵列表面覆盖导电纳米薄层，薄层表面均匀覆盖金属纳米粒子，其上再覆盖聚离子薄层，可作为燃料电池、金属空气电池、电化学传感器等器件的多孔电极。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：