一种提升导电碳黑抗电化学腐蚀性能的方法与流程

1.本发明属于质子交换膜燃料电池催化剂领域，具体涉及一种提升导电碳黑抗电化学腐蚀性能的方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池能将甲醇、氢气等分子的化学能直接转化成电能，具有能量转换效率高、环境友好等优点。电极催化剂的电催化稳定性能直接影响质子交换膜燃料电池的使用寿命，而电池运行过程中碳载体的腐蚀是导致催化剂催化活性衰减的主要原因之一。目前，最常用的催化剂载体为vulcan xc
‑
72r导电碳黑。在质子交换膜燃料电池苛刻的工作环境下，这种导电碳黑易发生电化学氧化腐蚀，降低导电碳黑与所负载pt纳米颗粒之间的作用力，加剧pt的团聚与流失，导致催化剂催化活性的急剧衰减。因此，优化导电碳黑的抗电化学腐蚀能力对提升质子交换膜燃料电池的使用寿命具有重要意义。目前，最常用的提升导电碳黑抗电化学腐蚀能力的方法是高温退火(>1500℃)，该方法能耗大，成本高，且需要在惰性气体的保护下进行，因此，该方法仍存在一定的缺陷。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种提升导电碳黑抗电化学腐蚀性能的方法，目的是为了解决目前最常用的提升导电碳黑抗电化学腐蚀能力的方法是高温退火(>1500℃)，该方法能耗大，成本高，且需要在惰性气体的保护下进行的问题。
4.为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：
5.一种提升导电碳黑抗电化学腐蚀性能的方法，其特征是包括以下两步：
6.步骤1，将导电碳黑与醇类溶剂混合，搅拌一段时间后使导电碳黑均匀分散在醇类溶剂中；
7.步骤2，利用非聚焦的脉冲激光辐照导电碳黑醇溶液，辐照过程中仍对溶液进行搅拌。
8.所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或多种。
9.所述导电碳黑与所述醇类溶剂的质量比为1：100～1：700。
10.所述脉冲激光的波长为1064nm，光斑直径为7mm，脉宽为7ns，频率为5～20hz，能量密度为200～800mj/cm2。
11.激光辐照导电碳黑醇溶液的时间为5～20min。
12.所述导电碳黑用作质子交换膜燃料电池催化剂的载体。
13.有益效果：
14.本发明利用激光辐照导电碳黑的醇溶液，有效提高导电碳黑的抗电化学腐蚀能力，本发明方法简单、快捷、高效、易批量化生产，整个工艺流程都在室温条件下进行，且不需要加惰性气体保护，避免了传统高温退火方式能耗大、成本高的缺点，与初始的导电碳黑
相比，经激光辐照处理的导电碳黑在高电势的条件下具有更低的腐蚀电流，展现出更高的抗电化学腐蚀能力，此外，本发明不仅拓展了液相激光辐照技术的应用领域，还为如何提升导电碳黑的抗电化学腐蚀性能提供了新的设计思路。
附图说明
15.图1为初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线图；
16.图2为初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线图；
17.图3为初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线图；
18.图4为初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线图；
19.图5为初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线图。
具体实施方式
20.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以方便相关人员更好的理解该技术方案
21.实施例1
22.首先，将50
㎎
导电碳黑与20ml乙醇混合，搅拌10min后使导电碳黑均匀分散在乙醇中；
23.随后，利用非聚焦的脉冲激光辐照导电碳黑的乙醇溶液，辐照过程中仍对溶液进行搅拌。脉冲激光的波长为1064nm，光斑直径为7mm，脉宽为7ns，频率为10hz，能量密度为400mj/cm2，辐照时间是15min。
24.图1显示的是初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线。在1.2v(vs.nhe)的电势下，不会发生水分解反应，此时发生的反应主要为碳腐蚀反应，因此，可以用该电势下的腐蚀电流来衡量导电碳黑的抗电化学腐蚀能力。由图1可知，在整个测试过程中，与初始导电碳黑相比，激光辐照的导电碳黑都展现出较低的腐蚀电流；3600s后，激光辐照导电碳黑的腐蚀电流为0.147μa，明显低于初始导电碳黑的腐蚀电流(0.424μa)。这一测试结果表明，激光辐照的导电碳黑具有更高的抗电化学腐蚀能力。电化学测试条件：工作电极的直径为5mm，电极上导电碳黑的载量为50μg，电解液为0.5m氮气饱和的硫酸水溶液，恒电势为1.2v(vs.nhe)，时间为3600s，测试温度为25℃。
25.实施例2
26.首先，将35
㎎
导电碳黑与20ml乙醇混合，搅拌10min后使导电碳黑均匀分散在乙醇中；
27.随后，利用非聚焦的脉冲激光辐照导电碳黑的乙醇溶液，辐照过程中仍对溶液进行搅拌。脉冲激光的波长为1064nm，光斑直径为7mm，脉宽为7ns，频率为10hz，能量密度为300mj/cm2，辐照时间是10min。
28.图2显示的是初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线。由图2可知，在整个测试过程中，与初始导电碳黑相比，激光辐照的导电碳黑都具有较低的腐蚀电流；3600s后，初始导电碳黑的腐蚀电流为0.424μa，而激光辐照导电碳黑的腐蚀电流为0.191μa。这一测试结果表明，激光辐照确实能有效提升导电碳黑的抗电化学腐蚀能力。电化学测试条件：工作电极的直径为5mm，电极上导电碳黑的载量为50μg，电解液为0.5m氮气
饱和的硫酸水溶液，恒电势为1.2v(vs.nhe)，时间为3600s，测试温度为25℃。
29.实施例3
30.首先，将150
㎎
导电碳黑与20ml乙醇混合，搅拌10min后使导电碳黑均匀分散在乙醇中；
31.随后，利用非聚焦的脉冲激光辐照导电碳黑的乙醇溶液，辐照过程中仍对溶液进行搅拌。脉冲激光的波长为1064nm，光斑直径为7mm，脉宽为7ns，频率为20hz，能量密度为800mj/cm2，辐照时间是20min。
32.图3显示的是初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线。由图3可知，在整个测试过程中，与初始导电碳黑相比，激光辐照的导电碳黑都具有较低的腐蚀电流；3600s后，初始导电碳黑的腐蚀电流为0.424μa，而激光辐照导电碳黑的腐蚀电流为0.113μa。这一测试结果表明，激光辐照确实能有效提升导电碳黑的抗电化学腐蚀能力。电化学测试条件：工作电极的直径为5mm，电极上导电碳黑的载量为50μg，电解液为0.5m氮气饱和的硫酸水溶液，恒电势为1.2v(vs.nhe)，时间为3600s，测试温度为25℃。
33.实施例4
34.首先，将25
㎎
导电碳黑与20ml乙醇混合，搅拌10min后使导电碳黑均匀分散在乙醇中；
35.随后，利用非聚焦的脉冲激光辐照导电碳黑的乙醇溶液，辐照过程中仍对溶液进行搅拌。脉冲激光的波长为1064nm，光斑直径为7mm，脉宽为7ns，频率为5hz，能量密度为200mj/cm2，辐照时间是5min。
36.图4显示的是初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线。由图4可知，在整个测试过程中，与初始导电碳黑相比，激光辐照的导电碳黑都具有较低的腐蚀电流；3600s后，初始导电碳黑的腐蚀电流为0.424μa，而激光辐照导电碳黑的腐蚀电流为0.167μa。这一测试结果表明，激光辐照确实能有效提升导电碳黑的抗电化学腐蚀能力。电化学测试条件：工作电极的直径为5mm，电极上导电碳黑的载量为50μg，电解液为0.5m氮气饱和的硫酸水溶液，恒电势为1.2v(vs.nhe)，时间为3600s，测试温度为25℃。
37.实施例5
38.首先，将80
㎎
导电碳黑与20ml乙醇混合，搅拌10min后使导电碳黑均匀分散在乙醇中；
39.随后，利用非聚焦的脉冲激光辐照导电碳黑的乙醇溶液，辐照过程中仍对溶液进行搅拌。脉冲激光的波长为1064nm，光斑直径为7mm，脉宽为7ns，频率为20hz，能量密度为600mj/cm2，辐照时间是15min。
40.图5显示的是初始导电碳黑与激光辐照导电碳黑的腐蚀电流随时间变化曲线。由图5可知，在整个测试过程中，与初始导电碳黑相比，激光辐照的导电碳黑都具有较低的腐蚀电流；3600s后，初始导电碳黑的腐蚀电流为0.424μa，而激光辐照导电碳黑的腐蚀电流为0.204μa。这一测试结果表明，激光辐照确实能有效提升导电碳黑的抗电化学腐蚀能力。电化学测试条件：工作电极的直径为5mm，电极上导电碳黑的载量为50μg，电解液为0.5m氮气饱和的硫酸水溶液，恒电势为1.2v(vs.nhe)，时间为3600s，测试温度为25℃。
41.由上述实施例可知，利用非聚焦的脉冲激光辐照导电碳黑醇溶液，确实能提高导电碳黑的抗电化学腐蚀能力。
42.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。