國內(nèi)泡沫鎳在燃料電池陰極材料中的應(yīng)用概況

陳衛(wèi)東，陳艷麗，王崇國

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

燃料電池按燃料電解質(zhì)的不同，可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PENFC)五大類。燃料電池由于對環(huán)境污染小、噪音小、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點，具有很好的市場前景[1-3]。

泡沫鎳作為一種新型的功能材料具有高率導(dǎo)電性的多孔骨架三維立體結(jié)構(gòu)、高孔隙率、較大的比表面積等特殊結(jié)構(gòu)，顯示出高負(fù)載能力、耐腐阻本蝕、低價格、低電阻等優(yōu)異的性能，在燃料電池中成為研究的熱點。

目前，泡沫鎳在燃料電池的陰極電極材料的制備中得到廣泛研究，本文主要簡單介紹了國內(nèi)泡沫鎳在燃料電池陰極材料中的應(yīng)用，并對泡沫鎳在燃料電池中的應(yīng)用前景作了展望。

1 泡沫鎳的化學(xué)性能

泡沫鎳由于其3D結(jié)構(gòu)，且具有一定的孔隙和大的比表面積，在條件合適的情況下能產(chǎn)生較高的功率密度，使電子更容易傳遞，易于擴(kuò)大化生產(chǎn)，具備陰極所需要的條件，成為國內(nèi)研究者研究的熱點[4,5]。

哈爾濱工程大學(xué)的田永梅采用無模板生長法制備了一種泡沫鎳載NiCO2O4納米線陣列陰極材料（圖1），并研究了這種陰極材料對AI-H2O2半燃料電池的性能。發(fā)現(xiàn)這種陰極材料對H2O2的電還原顯現(xiàn)了較高的催化活性、穩(wěn)定性和傳質(zhì)性能[6]。

圖1 SEM泡沫鎳表面被NiCo2O4納米陣列緊密覆蓋

2 以泡沫鎳作為MFC的陰極和陽極的基體材料

浙江大學(xué)的吳健成在泡沫鎳面涂上包含納米活性炭、超級炭黑以及20%的聚四氟乙烯（PTFE）的混合物（圖2），制備了一種泡沫鎳陰極。這種陰極材料完全能夠滿足微生物燃料電池（MFC）反應(yīng)器的實際需求。在滾壓好的陰極上再涂一層PTFE，能使泡沫鎳空氣陰極的防析鹽得到極大改善[7]。

圖2 泡沫鎳陰極

內(nèi)蒙古民族大學(xué)的孫麗美以泡沫鎳為基休，采用恒電流沉積法制備了Pd-Ru/Ni（泡沫鎳）催化劑(圖3)，考察了它對H2O2電還原反應(yīng)的催化性能，并以其為陰極，AZ31鎂合金為陽極，組裝了Mg-H2O2半燃料電池，并考察了所制備電極對電池性能的影響[8]。

圖3 制備的Pd-Ru/Ni（泡沫鎳）電極的SEM形貌

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的宋蕾以泡沫鎳作為MFC的陰極和陽極的基體材料，并以TiO2粉末和廉價的柱狀活性炭顆粒的混合物作為催化劑均勻涂敷在電極表面，形復(fù)合電極，考察燃料電池的輸出電壓、功率密度、內(nèi)電阻等電學(xué)性能指標(biāo)，在相對較低造價的前提下，獲得了較高的產(chǎn)電性能（圖4）[9]。

圖4 運行后陰極表面形貌及微生物生長情況SEM

3 泡沫鎳基體材料負(fù)載碳粉催化劑的性能

曹峰以泡沫鎳材料作為空氣陰極MFC的電極材料，并利用碳粉作為催化劑，考察泡沫鎳基體單獨使用和負(fù)載碳粉催化劑條件下，反應(yīng)器的不同性能輸出，通過庫倫效率、電位曲線和極化曲線的計算，評價了泡沫鎳基體材料負(fù)載碳粉催化劑的性能。試驗結(jié)果表明，碳粉可以作為催化劑催化氧化還原反應(yīng)比對未負(fù)載催化劑的材料具有更強(qiáng)的電化學(xué)信號響應(yīng)。驗證了碳粉可以作為催化劑來提高空氣陰極泡沫鎳基體MFC系統(tǒng)的性能[10]。

北京工業(yè)大學(xué)的楊斯琦選用價格相對便宜，電導(dǎo)率更高的泡沫鎳作為集電體材料，PTFE作為催化層黏結(jié)劑，聚二甲基硅氧烷（PDMS）做擴(kuò)散層，制備出3種不同復(fù)合比例的MnO2和超級電容器活性炭（S-AC）復(fù)合催化劑，探究其對MFC產(chǎn)電性能的影響（圖5）[11]。

圖5 微生物燃料電池立體構(gòu)型

4 展望

綜上所述，由于泡沫鎳特殊的多孔骨架三維立體結(jié)構(gòu)、高負(fù)載能力、較大的比表面積、低價格、低電阻等優(yōu)異的性能，制成的電極材料性能穩(wěn)定，國內(nèi)許多學(xué)者對泡沫鎳在燃料電池的應(yīng)用與推廣做了大量研究工作。今后，應(yīng)加大泡沫鎳的基礎(chǔ)研究工作，期待在燃料電池上有更大的應(yīng)用，盡快實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。