新材料及其应用

本发明涉及一种直接硼氢化物燃料电池用阳极及其制备方法，该阳极由相互叠合的催化层与扩散层构成。其中，扩散层是以炭材料或泡沫镍为基底，并在基底上构筑表面呈微柱状结构的整平层；催化层采用催化硼氢化物氧化的电催化剂、析氢抑制剂和粘结剂的混合物为原料，于整平层表面制备而成。本发明提供方法制备的阳极具有拓展电化学反应面积、增加气体扩散层与催化活性层之间的界面面积、降低活化电阻和欧姆电阻、增加燃料利用率、提高直接硼氢化物燃料电池的性能和稳定性的优点。

直接硼氢化物燃料电池（Direct Borohydride Fuel Cell,DBFC）是一种使用碱金属硼氢化物MBH4（M=K，Na，Li）为燃料的发电装置，通常采用氧气（空气）或双氧水作为氧化剂。由于DBFC具有开路电压和理论能量密度高等优点，近年来得到了广泛关注，相关技术也快速发展。

直接硼氢化物燃料电池工作时，燃料和氧化剂分别通过端板上的通道到达电池的阳极和阴极，并通过电极上的扩散层到达电极催化层的反应活性中心，硼氢根在阳极催化剂的作用下发生电化学反应生成偏硼酸根和电子，与此同时，阴极的氧分子或过氧化氢在催化剂作用下与外电路传导的电子反应变成氢氧根离子，电池的电极反应如下：

阳极反应：BH4-+8OH-→BO2-+6H2O+8e- E0a＝-1.24V vs SHE

阴极反应：2O2+4H2O+8e-→8OH- E0c=0.40V vs SHE

H2O2+2e-→2OH- E0c=0.84V vs SHE

电池总反应：BH4-+2O2→BO2-+2H2O E0=1.64V vs SHE

BH4-+4H2O2→BO2-+H2O E0=2.11V vs SHE

在DBFC中，电极通常分为两层：一层为多孔扩散层，由导电多孔材料制备，起收集电流和传质的作用；另一层为催化活性层，是燃料氧化和氧化剂还原的电化学反应发生的场所。

DBFC输出功率的大小与多孔扩散层的结构密切相关。多孔扩散层的结构、厚度、孔隙率以及反应物传输的曲折系数等都将极大地影响三相电化学反应的速度及电池的输出功率。

通常，DBFC用阳极扩散层为多孔材料，如石墨化炭纸、炭布、泡沫镍等。这类多孔材料的孔结构单一、且孔径较大，在制备催化层时，会遇到与催化层之间接触电阻较大、催化剂活性组分渗透等问题。为改善扩散层的孔隙结构、降低催化层与基底层材料的接触电阻、防止催化层组分渗透至基底层以及催化层发生“水淹”，通常在基底层表面制备一层以炭粉为主要原料的整平层，并辅以粘结剂进行固定。

采用本发明方法制备的阳极，具有如下优点：

（1）拓展电化学反应面积，降低活化电阻。由于DBFC运行温度较低（一般不高于80℃）、阳极催化剂活性又较弱,阳极的电化学极化较大。微柱状微孔层的构筑，可以将催化层面积拓展至少50%，从而有效地降低硼氢化物电化学氧化的活化电阻，降低活化极化程度。

（2）增加气体扩散层与催化活性层之间的界面面积，降低二者之间的接触电阻，进而降低电池的欧姆极化。

（3）降低阳极中燃料水解速度，减少H2的生成，增加燃料利用率，提高DBFC性能。将析氢抑制剂加入至阳极催化层中后，可以有效的降低硼氢化物的水解和H2的生成速度，从而使更多的硼氢化物参与电化学反应，进而提高电池性能。

（4）增加DBFC的性能稳定性，降低性能衰减速率。通过析氢抑制剂的引入，可以降低气体H2的生成速度，进而降低其对催化活性层组分的冲刷，从而能有效保持催化层的组分稳定性，降低电池的性能衰减速度。

（5）本发明提供的直接硼氢化物燃料电池阳极的制备方法简单，适于进行放大和批量化生产。