國(guó)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(guó)

（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(lèi)。燃料電池由于對(duì)環(huán)境污染小、噪音小、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的市場(chǎng)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(jià)格、低電阻等優(yōu)異的性能，在燃料電池中成為研究的熱點(diǎn)。

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(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)泡沫鎳在燃料電池陰極材料中的應(yīng)用，并對(duì)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(guó)內(nèi)研究者研究的熱點(diǎn)[4,5]。

哈爾濱工程大學(xué)的田永梅采用無(wú)模板生長(zhǎng)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(duì)AI-H2O2半燃料電池的性能。發(fā)現(xiàn)這種陰極材料對(duì)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(yáng)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(jí)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(mǎn)足微生物燃料電池（MFC）反應(yīng)器的實(shí)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(duì)H2O2電還原反應(yīng)的催化性能，并以其為陰極，AZ31鎂合金為陽(yáng)極，組裝了Mg-H2O2半燃料電池，并考察了所制備電極對(duì)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(yáng)極的基體材料，并以TiO2粉末和廉價(jià)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(duì)較低造價(jià)的前提下，獲得了較高的產(chǎn)電性能（圖4）[9]。

圖4 運(yùn)行后陰極表面形貌及微生物生長(zhǎng)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(dú)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(guò)庫(kù)倫效率、電位曲線和極化曲線的計(jì)算，評(píng)價(jià)了泡沫鎳基體材料負(fù)載碳粉催化劑的性能。試驗(yàn)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(duì)未負(fù)載催化劑的材料具有更強(qiáng)的電化學(xué)信號(hào)響應(yīng)。驗(yàn)證了碳粉可以作為催化劑來(lái)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(jià)格相對(duì)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(jí)電容器活性炭（S-AC）復(fù)合催化劑，探究其對(duì)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(jià)格、低電阻等優(yōu)異的性能，制成的電極材料性能穩(wěn)定，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。