一种用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料及制备方法与流程

本发明涉及一种质子交换膜氢燃料电池的电极材料，尤其是涉及一种用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料及制备方法。

背景技术：

1、随着全球互联网、大数据、人工智能等领域的发展，数据中心对能源的需求大量增加，人们对替代能源系统进行了一定的研究。化石燃料发电系统的燃料转化率仅达40％左右，约60％的燃料能量以热能形式损失，并且一次能源储量正在逐渐消耗降低。与传统供电系统相比，燃料电池具有能源成本低的特点，其中，质子交换膜燃料电池具有转化效率高、清洁环保、原料广泛、启动快和运行安静等优点。

2、质子交换膜燃料电池电极材料的选择必须考虑到它的电池性能，如成本效益和电化学活性等。为了提高燃料电池的性能，电极结构材料是非常重要的。铂、铱作为质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应的常用催化材料，昂贵的成本限制了氢燃料电池在大规模发电中的应用。

3、单层石墨烯薄膜具有比表面积大、导电性好、催化活性好等优点，其在质子交换膜燃料电池中的应用前景较为广阔，石墨烯还具有快速传输质子和选择性分离离子的能力。因此，通过在催化过程中引入改性的石墨烯材料，以提高燃料电池的效率。公开的专利文献wo 02/41432提供了一种燃料电池用质子交换膜的制备方法，用蓝色二极管光照射含有纳米碳材料的电极或催化剂。公开的专利文献cn 201810020140.3采用石墨烯黑磷烯异质结作为氢燃料电池的阴/阳极主体，提高了燃料电池的电性能，降低制造成本。

技术实现思路

1、针对上述质子交换膜燃料电池存在的一些问题，本发明的目的是提供一种用于数据中心大规模氢燃料电池供电的电极材料及制备方法，以降低pem燃料电池膜电极材料的高成本，并提高燃料电池的电化学性能。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料，所述的电极材料为金纳米材料与石墨烯纳米管的复合材料；所述金纳米材料的加入质量分数为石墨烯纳米管质量的0-65％。

4、优选地，所述金纳米材料的加入质量分数为石墨烯纳米管质量的20-62.5％，更优选为石墨烯纳米管质量的40-62.5％，最优选为石墨烯纳米管质量的62.5％。

5、优选地，所述石墨烯纳米管的制备方法如下：

6、a1、将多壁碳纳米管溶解于酸中并搅拌，制备出石墨烯纳米带；

7、a2、再将kmno4添加到石墨烯纳米带中，并维持ph<3.0，然后加入一定量碱；

8、a3、将步骤a2制备的溶液搅拌后离心，所得滤饼进行洗涤，使ph＝3.5～4.5；

9、a4、将洗涤后的滤饼进行真空干燥，即得石墨烯纳米管。

10、采用该方法更容易获取石墨烯纳米管。

11、优选地，步骤a1中，所述酸为浓硫酸，所述搅拌的时间为45～50h，更优选搅拌的时间为48h；

12、步骤a2中，所述kmno4的添加量为4～6倍质量的多壁碳纳米管，更优选kmno4的添加量为5倍质量的多壁碳纳米管；所述碱为过氧化氢，所述过氧化氢的加入量为2.5ml/g多壁碳纳米管，且采用滴加的方式加入，更优选过氧化氢的加入量为2～3ml/g多壁碳纳米管；

13、步骤a3中，所述搅拌的条件为在62～68℃下搅拌1.5～2.5小时，更优选搅拌的条件为在65℃下搅拌2小时；

14、所述离心采用的转速为7000～9000r/min，更优选转速为8000r/min；

15、所述洗涤的具体步骤为:用3～8％酸溶液(质量百分数)与水进行至少2次交替洗涤，更优选酸溶液的质量百分数为5％；

16、步骤a4中，所述真空干燥的条件为：在氨气环境下、880-920℃真空干燥至少2小时，更优选在900℃真空干燥。

17、优选地，步骤a3中，所述洗涤后的ph＝4.0；

18、优选地，所述金纳米材料的制备方法为：将氯金酸四水合物溶液在380～420℃下进行加热，然后添加钠盐并不断搅拌，直到溶液颜色开始变色，即得金纳米材料。

19、优选地，所述氯金酸四水合物与钠盐柠檬酸三钠或亚硫酸钠的重量份数比为1：24～26；

20、所述钠盐为柠檬酸三钠或亚硫酸钠。

21、优选地，所述金纳米材料包括金纳米颗粒。

22、优选地，所述水为去离子水。

23、本发明还提供了一种用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料的制备方法，包括以下步骤：

24、s1、石墨烯纳米管溶液的制备：将石墨烯纳米管与表面活性剂和水混合后超声，然后离心，得石墨烯纳米管溶液；

25、s2、电极材料的制备：将石墨烯纳米管溶液中加入金纳米材料后进行分散、离心，制得电极材料溶液；然后将电极材料溶液涂布在质子交换膜上，即得电极材料。

26、本发明通过先制成石墨烯纳米管溶液后再与金纳米材料混合，可使形成的溶液中所掺杂的金纳米材料更均匀分布在石墨烯纳米管的结构间隙中，增强材料的均匀性、一致性和导电性，避免操作不当而成团。

27、优选地，步骤s1中，所述石墨烯纳米管与表面活性剂和水的混合比例为1:8～12:1～2(质量体积比)，更优选混合比例为1:10:1；

28、所述超声的时间为70～80分钟，更优选75分钟；

29、所述离心的速度为6500～7500r/min、离心时间为25～40分钟，更优选离心的速度为7000r/min、离心时间为30分钟；

30、所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。

31、优选地，所述金纳米材料的加入质量分数为石墨烯纳米管质量的0-65％，更优选为石墨烯纳米管质量的20-62.5％(即金纳米材料与石墨烯纳米管的质量比为1:5-1:1.6)，进一步优选为石墨烯纳米管质量的40-62.5％(即金纳米材料与石墨烯纳米管的质量比为1:2.5-1:1.6)，最优选为石墨烯纳米管质量的62.5％(即金纳米材料与石墨烯纳米管的质量比为1:1.6)。

32、优选地，所述分散采用的是浸渍超声仪进行，处理时间为1～2小时；

33、所述离心条件为6000～8000r/min离心25～35min，更优选离心条件为7000r/min离心30min；

34、所述涂布的转速为2000～4000r/min，更优选转速为3000r/min；涂布的厚度为2～10μm。

35、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

36、与传统的pt或碳纳米管电极相比，本发明所制得的电极材料显示出较高的电催化性能。本发明制备的电极的阴极电流最多提高了3.738μa,还原电位降低了0.507v。其中，膜电极性能与金纳米材料的浓度有关，62.5％au/石墨烯的最高功率密度为242.29mw/cm-2，然而，传统pem燃料电池的pt/c催化剂的最大功率密度仅为178mw/cm-2。

技术特征：

1.一种用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料，其特征在于，所述的电极材料为金纳米材料与石墨烯纳米管的复合材料；所述金纳米材料的加入质量分数为石墨烯纳米管质量的0-65％。

2.根据权利要求1所述的用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料，其特征在于，所述石墨烯纳米管的制备方法如下：

3.根据权利要求2所述的用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料，其特征在于，步骤a1中，所述酸为浓硫酸，所述搅拌的时间为45～50h；

4.根据权利要求1所述的用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料，其特征在于，所述金纳米材料的制备方法为：将氯金酸四水合物溶液在380～420℃下进行加热，然后添加钠盐并不断搅拌，直到溶液颜色开始变色，即得金纳米材料。

5.根据权利要求4所述的用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料，其特征在于，所述氯金酸四水合物与钠盐柠檬酸三钠或亚硫酸钠的重量份数比为1：24～26；

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述石墨烯纳米管与表面活性剂和水的混合比例为1:8～12:1～2；

8.根据权利要求6所述的用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料的制备方法，其特征在于，所述金纳米材料的加入质量分数为石墨烯纳米管质量的0-60％。

9.根据权利要求6所述的用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述分散采用的是浸渍超声仪进行，处理时间为1～2小时；

10.根据权利要求6所述的用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述涂布的转速为2000～4000r/min，涂布的厚度为2～10μm。

技术总结
本发明涉及一种用于数据中心大规模燃料电池供电的电极材料及制备方法，所述电极材料为金纳米材料与石墨烯纳米管的复合材料，所述金纳米材料的加入质量分数为石墨烯纳米管的0‑65％。将石墨烯纳米管制备成石墨烯纳米管溶液后加入一定质量分数的金纳米材料，进行分散，并离心，制得电极材料溶液；再将电极材料溶液涂布在质子交换膜上即制得电极材料。与传统的Pt或碳纳米管电极相比，本发明所制得的电极材料显示出较高的电催化性能，其阴极电流最多提高了3.738μA，还原电位降低了0.507V。本发明为大规模氢燃料电池供电场景提供了一种电极材料的制备方法，降低PEM燃料电池膜电极材料的制作成本，并提高燃料电池的电化学性能。

技术研发人员：谭轶童,罗坚
受保护的技术使用者：上海毅镤新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12