双功能电极及其制备方法和应用技术

一种双功能电极，包括基底层和附着于所述基底层上的电容层和催化层；所述电容层设置于所述基底层和所述催化层之间。催化层中催化剂的载量为0.05-5mg/cm

【技术实现步骤摘要】
双功能电极及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种双功能电极，具体的来说在此种电极上能发生电极反应并同时储存电荷，以此电极组装电池能够自充电并且大电流脉冲放电。本专利技术还涉及上述双功能电极的制备方法。
技术介绍
随着民用的可穿戴电子设备、电动汽车和军用的大功率激光武器等的发展，单一电源难以满足需求，可长时间稳定放电和瞬时大电流放电的复合电源将成为发展趋势。目前应用较多的是电池和超级电容器的外部复合，即通过外部电路的控制，使电池和超级电容器可协同工作以满足要求，但是外部复合增加金属导线和模块界面，从而增加电阻，降低性能，同时会增加装置的重量、体积和价格；而电池和超级电容器内部复合(即单一电极可同时进行电化学反应并储存电荷)不存在这些问题，是目前的研究热点。专利(CN102576613A)中设计了用于车辆推进的燃料电池/超级电容器/电池电力系统，此系统采用外部复合，电路设计较复杂，增加了装置的重量，降低了装置的性能。文献(InternationalJournalofHydrogenEnergy，2010,35,11254-11260)中向直接甲醇燃料电池的电极中加入二氧化钌，利用二氧化钌的电容性能提高电池的动态稳定性，由于二氧化钌的电导较小，电容层中二氧化钌用量较小，存储的电荷较少，不能达到超级电容器的工作要求，故不能作为复合电极使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于制备一种双功能电极，此种双功能电极可催化电极反应的同时储存电能，需要时把储存的电能短时间释放出出来，达到瞬间大电流放电的目的。为实现上述
技术实现思路
，本专利技术采用以下技术方案来实现：一种双功能电极，包括基底层和附着于基底层上的电容层和催化层；所述电容层设置于所述基底层和所述催化层之间。一种所述双功能电极的制备方法，包括(1)采用电化学方法于基底材料一侧表面制备电容层，或先采用化学聚合方法制备导电聚合物，再采用刷涂或喷涂或丝网印刷中的一种或两种以上将导电聚合物制备于基底材料一侧表面；(2)采用刷涂或喷涂或丝网印刷中的一种或两种以上于步骤(1)所制得的电容层表面制备催化层。所述催化层中催化剂的载量为0.05-5mg/cm2，所述电容层中电容材料的载量为0.1-50mg/cm2。所述催化层的制备具体为于溶剂中加入催化剂和粘结剂；所述溶剂为水、乙醇、乙二醇中的一种或两种以上的混合溶剂，所述催化剂于溶剂中的浓度为0.1-5mg/ml，所述粘结剂占粘结剂和催化剂总质量的5％-50％。所述电容层中包含导电聚合物，所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚芴、聚嵌二萘、聚甘菊环、聚萘、聚咔唑、聚吲哚、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)或它们的衍生物或它们之间的共聚物中的一种或两种以上。所述粘结剂为PTFE中的一种；电催化剂为Pt/C、Pt黑、PtRu/C、PtRu黑、PtCo/C中的一种或二种以上。所述基底层为碳纸、碳布中的一种。所述制备双功能电极的电化学方法，以添加有掺杂酸的导电聚合物单体溶液为电解质溶液，以一导电基底为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为工作电极，于一导电基底表面电化学沉积导电聚合物，制备所述电容层；所述制备双功能电极的电化学方法，其特征在于：所述导电聚合物单体溶液中，溶剂为水，导电聚合物单体的浓度为0.001-2mol/L；所述掺杂酸为盐酸、硫酸、高氯酸、硝酸中的一种或两种以上的混合酸；所述掺杂酸的浓度为0.1-2mol/L，所述电化学沉积过程中反应温度为-5-50℃，沉积电流密度为0.01-20mA/cm2。所述化学聚合方法为导电聚合物单体溶液中加入掺杂酸和氧化物使之发生化学聚合反应制备导电聚合物；所述化学聚合方法的导电聚合物单体溶液中，溶剂为甲醇、乙醇、水、乙二醇、异丙醇中的一种或两种以上的混合溶液，导电聚合物单体的浓度为0.001-2mol/L；所述掺杂酸为盐酸、硫酸、高氯酸、硝酸中的一种或两种以上的混合酸；所述掺杂酸的浓度为0.1-2mol/L。所述化学聚合方法中，溶液中氧化剂与导电聚合物单体的物质的量的比为0.5-2；所述反应温度为-5-50℃，反应时间为12-48小时；所述氧化剂为过硫酸铵、氯化铁、过氧化氢、高锰酸钾中的一种或两种以上的混合物。采用所述双功能电极的燃料电池-超级电容器一体化发电单元，包括阳极、阴极和电解质膜，所述阳极和/或阴极为双功能电极；所述电解质膜为质子交换膜或碱性阴离子交换膜；或双功能电极单独作为半电池测试。所述双功能电极中的催化层与所述电解质膜贴接。与现有电极相比，本双功能电极具有以下优势：1、组装的电池在不工作时，可以把活性物质的电荷储存在电极的电容材料中，在通路时，迅速把电荷释放出来，可以大电流脉冲放电；2、电容层的厚度可控，可通过控制电容层的厚度来控制脉冲电流的大小；3、电容层可同时具有微孔层的作用，是反应物分配更平衡；4、纯电池工作模式下，电容层可以改善电池的动态稳定性。附图说明图1双电极结构示意图；图2实施例1的电镜照片；图3对比例的电镜照片；图4实施例2在不通电流密度下的放电曲线。具体实施方式以下通过实例对本专利技术作详细描述，但本专利技术不仅限于以下实施例。实施例1(1)双功能电极的制备：取一块2×2cm2的碳布，在1mol/L的高氯酸水溶液中加入苯胺，使苯胺的浓度为0.5mol/L，以碳布为基底，把碳布一侧密封，另一侧暴露在溶液中作为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为工作电极，反应温度为0-5℃，在0.04mA/cm2的电流密度下电聚合苯胺，碳布上的聚苯胺的载量为0.2mg/cm2,再在聚苯胺上喷60％Pt/C催化剂，催化剂浆液中Pt为1mg/mL,占总固体质量的20％，Pt的载量为0.3mg/cm2。制备得到的电极的电镜照片如图2所述，从图中可以看出，催化剂在电容层聚苯胺表面均匀分布。(2)双功能电极的测试：双功能电极在0.5mol/L的硫酸中测试其性能，以双功能电极为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。此电极在氧气中的恒电流放电曲线电压衰减比对比例1要慢。实施例2(1)双功能电极的制备：取一块2×2cm2的碳布，在1mol/L的高氯酸水溶液中加入苯胺，使苯胺的浓度为0.5mol/L，以碳布为基底，把碳布一侧密封，另一侧暴露在溶液中作为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为工作电极，反应温度为0-5℃，在0.04mA/cm2的电流密度下电聚合苯胺，碳布上的聚苯胺的载量为2mg/cm2,再在聚苯胺上喷60％Pt/C催化剂，催化剂浆液中Pt为1mg/mL,占总固体质量的20％，Pt的载量为0.3mg/cm2。(2)双功能电极的测试：双功能电极在0.5mol/L的硫酸中测试其性能，以双功能电极为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。此电极在氧气中的不同电流密度恒电流放电曲线如图2所示，电压衰减较慢，显示电容特性。实施例3(1)双功能电极的制备：在1mol/L的高氯酸水溶液中化学法聚合苯胺，苯胺的浓度为10mmol/L，过硫酸铵的浓度为6.7mmol/L,在0-5℃温度下反应24小时，过滤洗涤干燥，得聚苯胺样品，配制聚苯胺浆液，聚苯胺的浓度为0.67mg/mL，把浆液喷到碳布一侧上，使聚苯胺的载量为0.2mg/cm2；以60％Pt/C催化剂配制催化剂浆液，催化剂浆液中Pt为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双功能电极，其特征在于：包括基底层和附着于所述基底层上的电容层和催化层；所述电容层设置于所述基底层和所述催化层之间。

【技术特征摘要】
1.一种双功能电极，其特征在于：包括基底层和附着于所述基底层上的电容层和催化层；所述电容层设置于所述基底层和所述催化层之间。2.如权利要求1所述双功能电极，其特征在于：催化层中催化剂的载量为0.05-5mg/cm2，电容层中电容材料的载量为0.1-50mg/cm2。3.如权利要求1所述双功能电极，其特征在于：所述催化层中含有电催化剂和粘结剂；所述粘结剂质量占粘结剂和催化剂总质量的5％-50％；所述催化层的制备具体为于溶剂中加入催化剂和粘结剂；所述溶剂为水、乙醇、乙二醇中的一种或两种以上的混合溶剂，所述催化剂于溶剂中的浓度为0.1-5mg/ml，按比例加入粘结剂，形成催化剂浆液，用喷涂、刷涂或丝网印刷中的一种或两种以上。4.如权利要求1或2所述双功能电极，其特征在于：所述电容层中包含导电聚合物，所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚芴、聚嵌二萘、聚甘菊环、聚萘、聚咔唑、聚吲哚或聚(3,4-乙烯二氧噻吩)或它们的衍生物或它们之间的共聚物中的一种或两种以上。5.如权利要求1所述双功能电极，其特征在于：所述基底层为碳纸、碳布中的一种。6.一种权利要求1-5任一所述双功能电极的制备方法，其特征在于：包括(1)采用电化学方法于基底材料一侧表面制备电容层，或先采用化学聚合方法制备导电聚合物，再采用刷涂或喷涂或丝网印刷中的一种或两种以上将导电聚合物制备于基底材料一侧表面；(2)采用刷涂或喷涂或丝网印刷中的一种或两种以上于步骤(1)所制得的电容层表面制备催化层。7.如权利要求6所述双功能电极的制备方法，其特征在于：所述电化学方法为以添加有掺杂酸的导电聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙公权，付旭东，王素力，戚甫来，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21