非金屬氧還原電極及其制備方法技術

本申請公開了一種非金屬氧還原電極的制備方法，該方法為：在導電介質(zhì)表面上分散有含氧化劑和堿抑制劑的溶液，揮發(fā)溶劑后將帶有氧化劑和堿抑制劑的混合物層的導電介質(zhì)暴露于含有乙撐二氧噻吩單體的氣氛中，使乙撐二氧噻吩單體在7℃~120℃的溫度下于導電介質(zhì)表面聚合形成聚合物催化劑。本申請還公開了一種非金屬氧還原電極。本發(fā)明專利技術獲得的催化劑是一種高分子材料聚3，4-乙撐二氧噻吩，具有氧還原催化活性，不會發(fā)生傳統(tǒng)金屬催化劑的移位、聚集和中毒等問題，且成本低廉。本發(fā)明專利技術的氧還原電極在堿性、酸性環(huán)境中都有較好的催化效果，可應用于質(zhì)子交換膜燃料電池，直接醇類燃料電池，堿性燃料電池以及金屬-空氣電池等領域。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本申請屬于電池領域，特別是涉及一種。
技術介紹
不論是作為能源使用需要的燃料電池還是能源儲存需要的金屬空氣電池，都需要有較高效率的氧還原電極。傳統(tǒng)的氧還原電極催化劑是金屬鉬，它具有較高的電流效率，但是也存在很多問題限制其使用及壽命。例如，鉬作為一種稀缺資源，價格昂貴，提高了電池的成本。其次，鉬在使用時并沒有固定，所以很容易出現(xiàn)聚集以及移位現(xiàn)象，大大降低其使用效率。特別的，在醇類燃料電池或者空氣供給的電池中都難以避免一氧化碳的存在，而鉬對一氧化碳非常敏感，容易失去催化活性，導致電池效率急劇下降。為了克服這些問題， 人們研究開發(fā)了許多非鉬類以及非貴金屬類的金屬電極，但是這些問題依然不同程度的存在，特別是一氧化碳導致催化劑失活的問題難以克服。
技術實現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術的目的提供一種，所獲得的非金屬氧還原電極不會發(fā)生傳統(tǒng)金屬催化劑的移位、聚集和中毒等問題，成本低廉，且在堿性、酸性環(huán)境中都有較好的催化效果。為實現(xiàn)上述目的，本專利技術提供如下技術方案 本專利技術公開一種非金屬氧還原電極的制備方法，其中，該方法為在導電介質(zhì)表面上分散有含氧化劑和堿抑制劑的溶液，揮發(fā)溶劑后將帶有氧化劑和堿抑制劑的混合物層的導電介質(zhì)暴露于含有乙撐二氧噻吩單體的氣氛中，使乙撐二氧噻吩單體在7V 120°C的溫度下于導電介質(zhì)表面聚合形成聚合物催化劑。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，還包括將載有聚合物催化劑的導電介質(zhì)進行洗滌的過程，該洗滌方法為以水性溶劑浸泡洗滌，然后揮發(fā)溶劑得到非金屬氧還原電極。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，所述氧化劑包括三價鐵鹽，所述堿抑制劑包括小分子堿，所述堿抑制劑與氧化劑的摩爾比為(Γ2，所述溶液中氧化劑的含量為 0wt% 40wt%。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，所述溶液中氧化劑的含量為20wt%^40wt%o優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，所述氧化劑為對甲苯磺酸鐵或氯化鐵。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，所述小分子堿為吡啶、吡咯、咪唑或四取代(二甲胺基)乙烯。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，所述導電介質(zhì)電阻率小于IΩ cm2。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，所述溶液中的溶劑包括小分子醇。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，所述小分子醇為甲醇、乙醇、異丙醇或丁醇。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，所述含氧化劑和堿抑制劑的溶液是噴涂在導電介質(zhì)表面上，該噴涂方法為在氮氣氣壓下使用噴槍在導電介質(zhì)上進行噴涂O優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極的制備方法中，所述含有乙撐二氧噻吩單體的氣氛是指空氣、氮氣或者氬氣流動下帶入的揮發(fā)性乙撐二氧噻吩單體。 本專利技術還公開了一種由上述制備方法獲得的非金屬氧還原電極。本專利技術還公開了一種非金屬氧還原電極，包括導電介質(zhì)和催化劑，其中，所述催化劑由聚3，4-乙撐二氧噻吩和小分子摻雜劑構(gòu)成，聚3，4-乙撐二氧噻吩的重復單元與小分子摻雜劑的摩爾比為廣10，所述小分子摻雜劑為小分子酸和/或小分子堿。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極中，所述小分子酸選自對甲苯磺酸、被部分取代的對甲苯磺酸、鹽酸、溴化氫、碘化氫、十四烷基磺酸、4-乙烯苯磺酸和樟腦磺酸中的一種或多種。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極中，所述小分子堿選自吡啶、吡咯、咪唑和四取代(二甲胺基)乙烯中的一種或多種。優(yōu)選的，在上述非金屬氧還原電極中，所述導電介質(zhì)電阻率小于IQcm2。與現(xiàn)有技術相比，本專利技術的優(yōu)點在于本專利技術的電極催化劑是一種高分子材料，具有氧還原催化活性，不會發(fā)生傳統(tǒng)金屬催化劑的移位、聚集和中毒等問題，且成本低廉。本專利技術的氧還原電極在堿性、酸性環(huán)境中都有較好的催化效果，可應用于質(zhì)子交換膜燃料電池，直接醇類燃料電池，堿性燃料電池以及金屬-空氣電池等領域。附圖說明為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I所示為本專利技術具體實施例中非金屬氧還原電極的結(jié)構(gòu)示意 圖2所示為本專利技術具體實施例中所獲得的非金屬氧還原電極在氧氣飽和的O. IM氫氧化鉀水溶液中的靜態(tài)循環(huán)伏安曲線，其掃描速度為O. lV/s ； 圖3所示為本專利技術具體實施例中所獲得的聚合物催化劑在氧氣飽和的O. IM氫氧化鉀水溶液中的靜態(tài)循環(huán)伏安曲線，其掃描速度為O. 01V/s ； 圖4所示為本專利技術具體實施例中所獲得的聚合物催化劑在氧氣飽和的O. IM氫氧化鉀水溶液中的轉(zhuǎn)速為3000rpm時的極化曲線，其掃描速度為O. 01V/s ； 圖5所示為本專利技術具體實施例中所獲得的聚合物催化劑在氧氣飽和的O. 05M硫酸水溶液中的轉(zhuǎn)速為3000rpm時的極化曲線，其掃描速度為O. OlV/s。具體實施例方式導電聚合物具有特殊的結(jié)構(gòu)以及電學性質(zhì)，其中聚3，4-乙撐二氧噻吩(PEDOT)是導電性最好的導電高分子之一，同時這種材料具有高氧氣滲透性和優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。Barsukov等人研究過通過化學氧化聚合得到的PEDOT的氧還原過程,認為PEDOT沒有催化活性。目前，PEDOT因其多孔結(jié)構(gòu)以及良好的導電性質(zhì)常被用作氧還原電極中催化劑的載體。如前所述，傳統(tǒng)的氧還原電極催化劑是以鉬為基礎的金屬催化劑，其成本高、一氧化碳中毒以及移位現(xiàn)象等不足難以克服，為此，本案專利技術人經(jīng)長期研究和實踐，提出了本專利技術的技術方案。進一步的講，本專利技術的非金屬氧還原電極催化劑是一種高分子材料聚3，4_乙撐二氧噻吩，材料為非金屬且本身具體氧還原催化活性，不會發(fā)生傳統(tǒng)金屬催化劑的移位、聚集和中毒等問題，且成本低廉。本專利技術的氧還原電極在堿性、酸性環(huán)境中都有較好的催化效 果，可應用于質(zhì)子交換膜燃料電池，直接醇類燃料電池，堿性燃料電池以及金屬-空氣電池等領域。該非金屬氧還原電極米用氣相合成方法制成，其方法為在導電介質(zhì)表面上分散有含氧化劑和堿抑制劑的溶液，揮發(fā)溶劑后將帶有氧化劑和堿抑制劑的混合物層的導電介質(zhì)暴露于含有乙撐二氧噻吩單體的氣氛中，使乙撐二氧噻吩單體在7V 120°C的溫度下于導電介質(zhì)表面聚合形成聚合物催化劑。上述方法中，氧化劑優(yōu)選采用三價鐵鹽(如對甲苯磺酸鐵，氯化鐵等，但不限于此)，堿抑制劑優(yōu)選為吡啶等小分子堿，溶劑優(yōu)選為醇類溶劑(如甲醇，乙醇，異丙醇，丁醇等，但不限于此)。其中堿抑制劑與鐵鹽的摩爾比為(Γ2之間，優(yōu)選為O. 75^1之間；鐵鹽溶液濃度為0% 40% (質(zhì)量分數(shù))，優(yōu)選為5% 40%，更有選為大于20%，且小于或等于40%。上述方法中，含有乙撐二氧噻吩單體的氣氛是指空氣、氮氣或者氬氣流動下帶入的揮發(fā)性乙撐二氧噻吩單體，且聚合溫度優(yōu)選為7 120°C，尤其優(yōu)選為50°C。聚合反應過程中優(yōu)選將環(huán)境濕度控制在15°/Γ60%。上述方法中，還包括將載有聚合物催化劑的導電介質(zhì)進行洗滌的過程，該洗滌方法為以水性溶劑(如小分子醇類、水、四氫呋喃、二甲基甲酰胺或二甲亞砜等)浸泡洗滌，然后揮發(fā)溶劑得到非金屬氧還原電極。洗滌的目的是除去殘余的氧化劑、堿抑制劑以及反應副產(chǎn)物。上述方法中，導電介質(zhì)電阻率優(yōu)選為小于I本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種非金屬氧還原電極的制備方法，其特征在于，該方法為：在導電介質(zhì)表面上分散有含氧化劑和堿抑制劑的溶液，揮發(fā)溶劑后將帶有氧化劑和堿抑制劑的混合物層的導電介質(zhì)暴露于含有乙撐二氧噻吩單體的氣氛中，使乙撐二氧噻吩單體在7℃~120℃的溫度下于導電介質(zhì)表面聚合形成聚合物催化劑。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：吳丹，董偉玲，陳立桅，
申請(專利權(quán))人：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：