【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于功能材料領域，特別涉及一種改性碳紙基底及氣體擴散電極。
技術介紹
1、氣體擴散電極(gas?diffusion?electrode,gde)是一種多孔膜電極，可以允許大量氣體從電極一側擴散并催化劑接觸，而電解質溶液從電極的另一側與催化劑連通電路，有效地構成固、液、氣三相界面，有效地提高電解反應物的傳質速率。常用的氣體擴散電極是用具有疏水性高分子材料(如聚四氟乙烯等)作為電極材料的疏水劑，利用萘酚為粘結劑，疏水碳紙作為導電基底。其中疏水劑的使用在構建疏水界面，防止電極漏氣漏液等方面具有重要的作用，其用料用量對電極性能有著重要的影響，用量過低時電極穩定性難以保證，用量過高時催化劑被覆蓋，活性嚴重降低。
2、cn112875811a，該方法以鈦基金屬氧化物涂層作陽極，以金屬網為基體，改性廢舊輪胎炭及疏水改性劑(聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯)制電極催化層構建電催化氧化反應器并用于污水處理過程。該方法主要應用于廢舊輪胎回收利用領域，改性廢舊輪胎炭制備的電極性能與商用碳材料相比還有差距。一種2－乙基蒽醌改性氣體擴散電極及其制備方法，cn101774666a，此專利技術通過將石墨化處理的vulcan?72炭黑、異丙醇及聚四氟乙烯乳液調制成漿狀，涂抹在疏水性碳布上作為氣體擴散層，同時疏水性碳布也作為集流體；而后在氣體擴散層的炭黑一側上涂覆催化層，催化層是2-乙基蒽醌、vulcan?72炭黑、聚四氟乙烯乳液、異丙醇和去離子水混合溶液調制成的漿料。該方法利用石墨化處理的炭黑輔助聚四氟乙烯乳液對碳布及催化劑進行疏水改性，其處理過程
技術實現思路
1、針對現有技術的缺陷，本專利技術所要解決的技術問題是提供一種改性碳紙基底及氣體擴散電極。本專利技術克服了現有疏水劑對電化學活性有抑制作用的技術問題。
2、本專利技術提供一種改性碳紙的制備方法，包括：
3、(1)將水、有機溶劑混合，加入堿調節ph值，攪拌，然后加入硅酸乙酯，攪拌，得到溶液a；
4、(2)將鹽酸多巴胺和tris-hcl緩沖液混合，超聲、攪拌，得到溶液b；
5、(3)將溶液a和溶液b混合，然后加入氟硅烷或全氟羧酸，攪拌，超聲，得到改性劑；
6、(4)將改性劑負載在碳紙上，烘干，得到改性碳紙。
7、優選地，所述步驟(1)中有機溶劑為芳香烴類、脂肪烴類、脂環烴類、鹵化烴類、醇類、醚類、酯類、酮類中的一種或幾種；其中芳香烴類有機溶劑包括苯、甲苯、二甲苯中的一種或幾種；所述脂肪烴類有機溶劑包括戊烷、己烷、辛烷中的一種或幾種；所述脂環烴類有機溶劑包括環己烷、環己酮、甲苯環己酮中的一種或幾種；鹵化烴類有機溶劑包括氯苯、二氯苯、二氯甲烷中的一種或幾種；醇類有機溶劑包括甲醇、乙醇、異丙醇中的一種或幾種；所述醚類有機溶劑包括乙醚、環氧丙烷中的一種或幾種；所述酯類有機溶劑包括醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯中的一種或幾種；所述酮類有機溶劑包括丙酮、甲基丁酮、甲基異丁酮中的一種或幾種；所述堿為氫氧化鈉、氨水中的至少一種,其中氫氧化鈉的濃度為0.3％-0.4％(質量分數)，氨水的濃度為25-28％(體積分數)；；水、有機溶劑、正硅酸乙酯的體積比為(10-20):(50-90):(3-5)；所述水為超純水或去離子水。
8、優選地，所述步驟(1)中加入堿調節ph值，超聲分散10-20min，10-35℃攪拌10-20min，然后加入硅酸乙酯，超聲分散0.5-1h，10-35℃攪拌3-8h。
9、所述tris-hcl緩沖液為將三羥甲基氨基甲烷完全溶解于水中，加入濃鹽酸調節ph至7.8-9，得到tris-hcl緩沖液；
10、優選地，所述步驟(2)中鹽酸多巴胺和tris-hcl緩沖液的質量體積比為(10-200mg)：50ml；所述tris-hcl緩沖液ph為7.8-9；
11、優選地，所述步驟(2)中超聲時間為1-5min；所述攪拌為室溫攪拌8-12h。
12、優選地，所述步驟(3)中溶液a和溶液b的體積比為0.1-(3:1)；所述氟硅烷為全氟辛基三甲基硅烷、1h，1h，2h，2h全氟十二烷基三乙氧基硅烷、十三氟辛基硅烷、十七氟癸基硅烷中的一種或幾種；所述全氟羧酸包括全氟丁酸、全氟戊酸、全氟己酸、全服庚酸、全氟辛酸中的一種或幾種。所述氟硅烷或全氟羧酸與正硅酸乙酯的體積比為1:(1-3)。
13、優選地，所述步驟(3)中溶液a和溶液b混合后10-35℃條件下攪拌5-15h；
14、優選地，所述步驟(3)中加入氟硅烷后攪拌為10-35℃條件下攪拌5-12h，超聲時間為20-40min。
15、優選地，所述步驟(4)中負載方式為滴涂、旋涂、噴濺中的至少一種；改性劑在碳紙上的負載量為0.1-30μl/cm2。
16、本專利技術提供一種氣體擴散電極，所述電極包括所述一面負載有改性劑的改性碳紙，以及負載在改性碳紙上的催化劑材料。
17、優選地，所述催化劑材料為金屬基催化劑，包括銅、金、銀、鋅、鉑等金屬及其化合物；非金屬基催化劑，包括不含金屬的催化劑，包括蛋白質、小分子催化劑等。其中催化劑材料負載量為0.1-30mg/cm2。
18、所述氣體擴散劑為：將改性劑負載(通過滴涂、旋涂、噴濺等方法)在碳紙接觸氣體的一側，烘干，得到改性碳紙，即得到疏水增強的可用于氣體擴散電極的碳紙基底；將分散有炭黑、催化劑的懸濁液通過滴涂、旋涂、噴濺等方法負載在碳紙接觸電解液的一側，烘干，即得到氣體擴散電極。
19、本專利技術提供一種所述氣體擴散電極在電解池電極和電池電極中的應用。
20、有益效果
21、本專利技術利用利用生態無機納米材料對碳紙進行疏水改性，構建粗糙多孔的疏水界面，提高氣體擴散電極穩定性，減少粘結劑的使用，保證催化劑的電化學活性。當下常用的疏水改性劑為聚四氟乙烯(ptfe)乳液，內含非離子表面活性劑以穩定乳液，實際使用時表面活性劑會溶解于電解液中，需要于350℃以上高溫分解，對于高溫下不穩定的催化劑不適用。本專利技術的改性方法簡單方便，成本較低，制備快速，適用于各類金屬基催化劑制備氣體擴散電極，所制得氣體擴散電極疏水性良好，疏水面接觸角可達150°以上，同時疏水層不會覆蓋催化劑活性位點，可以保持良好的催化性能的同時，解決了氣體擴散電極常見的漏水漏氣問題，在大電流下可以保持電流穩定。
22、本專利技術利用氟硅烷作為改性劑，不需要在350℃以上高溫處理聚四氟乙烯中的表面活性劑；此外，本專利技術制備的氣體擴散電極能承受更高的電流密度，實驗條件下可實現大電流密度穩定2000s。
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1.一種改性碳紙的制備方法，包括：
2.根據權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中有機溶劑為芳香烴類、脂肪烴類、脂環烴類、鹵化烴類、醇類、醚類、酯類、酮類中的一種或幾種；其中芳香烴類有機溶劑包括苯、甲苯、二甲苯中的一種或幾種；所述脂肪烴類有機溶劑包括戊烷、己烷、辛烷中的一種或幾種；所述脂環烴類有機溶劑包括環己烷、環己酮、甲苯環己酮中的一種或幾種；鹵化烴類有機溶劑包括氯苯、二氯苯、二氯甲烷中的一種或幾種；醇類有機溶劑包括甲醇、乙醇、異丙醇中的一種或幾種；所述醚類有機溶劑包括乙醚、環氧丙烷中的一種或幾種；所述酯類有機溶劑包括醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯中的一種或幾種；所述酮類有機溶劑包括丙酮、甲基丁酮、甲基異丁酮中的一種或幾種；所述堿為氫氧化鈉、氨水中的至少一種,其中氫氧化鈉的質量百分濃度為0.3％-0.4％，氨水的體積百分濃度為25-28％；水、有機溶劑、正硅酸乙酯的體積比為(10-20):(50-90):(3-5)；所述水為超純水或去離子水。
3.根據權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中加入堿調節pH值，超聲分散10-20mi
4.根據權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中鹽酸多巴胺和Tris-HCl緩沖液的質量體積比為(10-200mg)：50mL；所述Tris-HCl緩沖液pH為7.8-9；
5.根據權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中溶液A和溶液B的體積比為0.1-(3:1)；所述所述氟硅烷為全氟辛基三甲基硅烷、1H，1H，2H，2H全氟十二烷基三乙氧基硅烷、十三氟辛基硅烷、十七氟癸基硅烷中的一種或幾種；所述全氟羧酸包括全氟丁酸、全氟戊酸、全氟己酸、全服庚酸、全氟辛酸中的一種或幾種；所述氟硅烷或全氟羧酸與正硅酸乙酯的體積比為1:(1-3)；所述步驟(3)中溶液A和溶液B混合后10-35℃條件下攪拌5-15h；所述步驟(3)中加入氟硅烷后攪拌為10-35℃條件下攪拌5-12h，超聲時間為20-40min。
6.根據權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中負載方式為滴涂、旋涂、噴濺中的至少一種；改性劑在碳紙上的負載量為0.1-30μL/cm2。
7.根據權利要求1所述方法制備一種氣體擴散電極，其特征在于，所述電極包括權利要求1所述改性碳紙，以及負載在改性碳紙上的催化劑材料。
8.根據權利要求7所述氣體擴散電極，其特征在于，所述所述催化劑材料為金屬基催化劑、非金屬基催化劑中的一種或幾種；其中金屬基催化劑包括銅、金、銀、鋅、鉑金屬及其化合物中的一種或幾種；非金屬基催化劑包括蛋白質、小分子催化劑中的一種或幾種；其中催化劑材料負載量為0.1-30mg/cm2。
9.根據權利要求1所述氣體擴散電極在電解池電極和電池電極中的應用。
...【技術特征摘要】
1.一種改性碳紙的制備方法，包括：
2.根據權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中有機溶劑為芳香烴類、脂肪烴類、脂環烴類、鹵化烴類、醇類、醚類、酯類、酮類中的一種或幾種；其中芳香烴類有機溶劑包括苯、甲苯、二甲苯中的一種或幾種；所述脂肪烴類有機溶劑包括戊烷、己烷、辛烷中的一種或幾種；所述脂環烴類有機溶劑包括環己烷、環己酮、甲苯環己酮中的一種或幾種；鹵化烴類有機溶劑包括氯苯、二氯苯、二氯甲烷中的一種或幾種；醇類有機溶劑包括甲醇、乙醇、異丙醇中的一種或幾種；所述醚類有機溶劑包括乙醚、環氧丙烷中的一種或幾種；所述酯類有機溶劑包括醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯中的一種或幾種；所述酮類有機溶劑包括丙酮、甲基丁酮、甲基異丁酮中的一種或幾種；所述堿為氫氧化鈉、氨水中的至少一種,其中氫氧化鈉的質量百分濃度為0.3％-0.4％，氨水的體積百分濃度為25-28％；水、有機溶劑、正硅酸乙酯的體積比為(10-20):(50-90):(3-5)；所述水為超純水或去離子水。
3.根據權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中加入堿調節ph值，超聲分散10-20min，10-35℃攪拌10-20min，然后加入硅酸乙酯，超聲分散0.5-1h，10-35℃攪拌3-8h。
4.根據權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中鹽酸多巴胺和tris-hcl緩沖液的質量體積比為(10-200mg)：50ml；所述tris-...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李彥彤，王尹，賈亞平，武猛，李永軍，陳漢彝，朱黎恒，趙張祥，晉志博，刁博文，石啟冬，高國鋒，
申請(專利權)人：上海二十冶建設有限公司，
類型：發明
國別省市：
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