基于纳米多孔金薄层电极的直接硼氢化钠/双氧水燃料电池的设计与制备

全液态硼氢化钠/双氧水燃料电池具有功率密度高、不依赖空气以及无需铂系催化剂的特点，已经成为燃料电池领域研究的一个热点。但是硼氢化钠和双氧水在电池中会发生分解成氢气和氧气的副反应，这不仅会降低燃料和氧化剂利用率，而且限制了电池性能的进一步提高。因此，目前硼氢化钠/双氧水燃料电池面临的主要科学问题就是探索抑制燃料和氧化剂的分解的催化剂材料和电极结构。针对这一问题，本项目提出一种基于纳米多孔金薄层电极的全新燃料电池结构。和传统担载型纳米颗粒催化剂相比，其制备简单，可直接作为膜电极核心催化剂。本项目将通过纳米多孔金的微观结构和表面组成调控、薄层电极与质子交换膜之间的反应界面优化，探索新型纳米多孔金属薄层电极结构与表面组成与直接硼氢化钠／双氧水燃料电池性能之间的关系，制备出低成本、高活性、高稳定性的膜电极集合体。本研究的开展将对阐明纳米多孔金薄层电极在燃料电池中的作用机理具有重要意义。

纳米多孔金在包括电催化、储能装置以及电化学传感等多个领域有重要的潜在应用，正吸引其新制备方法、形貌与结构表征、性能测试以及新应用扩展等方面的持续关注。本项目首先探索了纳米多孔金及多孔二元合金的新型制备方法，将脱合金法制备的纳米多孔金作为电极在硼氢化钠/双氧水和水合肼/双氧水燃料电池进行了系统深入的研究，测试运行温度、溶液浓度、膜的类型等因素对电池性能的影响，获得的结果表明相对于商用的Pt/C，纳米多孔金的全液体电池性能提高了20-40倍。同时，采用利用纳米多孔金对H2O2和N2H4的高灵敏和选择性，设计了一种高效的电化学传感器，其检测浓度低至3.26 µM的H2O2和低至16.7 nM的N2H4。这表明纳米多孔金催化性能良好，可以用于小分子的检测，具有高灵敏、响应快、抗干扰能力强等优势。此外，本项目还将多孔金用于亚硝酸根离子的检测和柔性固态超级电容器的制备，也获得了优异的结果。