[发明专利]一种有序化气体扩散电极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型多孔骨架结构气体扩散电极，具体的说是一种可用于质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池、金属空气电池、质子交换膜型水电解池的气体扩散电极。

本发明还涉及上述新型多孔骨架结构气体扩散电极的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于其高效、环境友好等特点，近年来受到各国研究机构的密切关注。膜电极（MEA）作为燃料电池的核心部件，通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。催化层是膜电极组件（MEA）中发生电化学反应的场所，催化层的性能和稳定性极大程度上决定了MEA的电化学性能，同时催化层中的电催化剂的成本也占了MEA总成本的很大比例。为了提高催化层的性能及稳定性，降低其中电催化剂用量，设计制备具备微观结构有序化催化层的MEA是一种新的方法。目前，常用的MEA中催化层的制备方法为：将电催化剂分散在乙醇，乙二醇等溶剂中，加入适量作为粘结剂，充分分散形成均匀的催化剂浆液。该催化剂浆液通过喷涂，刷涂等方法制备于扩散层上形成GDE结构气体扩散电极，或者制备于质子交换膜上形成CCM结构的膜电极。上述传统的气体扩散电极或膜电极中，催化剂颗粒在粘结剂作用下形成疏松多孔的薄层，反应物在无序孔道中的传质阻力较大，影响电池综合性能。

综上所述，制备开发具有有序空隙结构催化层的MEA对于降低质子交换膜燃料电池成本以及提高质子交换膜燃料电池性能至关重要。

骨架结构是一种具有纳米或微米尺度的有序多孔结构，它可由Nafion聚离子等聚合物的溶液，经过冷冻干燥，由于溶剂的冷凝-升华过程，形成有序的多孔骨架。这种骨架结构可与多种导电载体进行复合，例如碳粉、碳纳米管以及石墨烯等，从而形成具有电子通道和离子通道的复合结构，十分适合于质子交换膜燃料电池催化层结构的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型多孔骨架结构气体扩散电极，该气体扩散电极具有Pt催化剂稳定性高、有效利用率高、催化层传质性能好等优点，可用作质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池和质子交换膜型水电解池中。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种有序化气体扩散电极，包括气体扩散层和基于气体扩散层的多孔骨架结构催化层，多孔骨架结构催化层附着于气体扩散层一侧表面，且微观上具有规则的孔隙结构。

所述多孔骨架结构催化层是以Nafion聚离子为骨架，于Nafion聚离子上附着有催化剂；所述催化剂为担载型Pt或Pt合金的纳米粒子。

所述具有规则的孔隙结构为于扩散层一侧表面纳米骨架形成均匀分布的孔隙，且孔隙之间相互连通，孔径大小为0.5微米至10微米。

所述气体扩散层由支撑层和微孔层组成；所述支撑层为碳纸或碳布；所述微孔层为XC-72碳粉、BP000、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯中的一种或两种以上混合PTFE和/或Nafion后通过刮涂、刷涂或喷涂至支撑层表面制得；所述多孔骨架结构催化层附着于气体扩散层的微孔层一侧表面。

所述担载型Pt或Pt合金的纳米粒子中，载体材料为XC-72碳粉、BP000、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氧化石墨中的一种或二种以上；Pt合金为PtCo、PtFe、PtNi、PtRu、PtPd、PtSn、PtPb中的一种；催化剂中Pt或Pt合金纳米粒子担载量为5-75wt.%。

所述催化层中Nafion聚离子的质量百分含量为5-85%。

所述气体扩散电极的制备方法，包括以下制备步骤，

a.多孔骨架结构复合前体浆液的制备：

采用离子交换法将Pt前体盐、或Co、Fe、Ni、Pd、Ru、Sn、Pb中任一一种的前体盐与Pt的前体盐的混合溶液离子交换至载体表面；再与Nafion聚离子溶液混合，浓缩至固含量为5-20wt.%，形成制备多孔骨架结构的浆液；

b.催化层的冷冻干燥还原制备：

将上述步骤a所得浆液制备于气体扩散层表面，置于冷冻干燥器中冷冻干燥24-48小时；取出后于氢气气氛下、200-500℃还原2-8小时，得多孔骨架结构催化层。

步骤a中，所述离子交换方法具体为将载体于水溶液中分散均匀，加入Pt前体盐、或Co、Fe、Ni、Pd、Ru、Sn、Pb中任一一种的前体盐与Pt的前体盐的混合溶液，60-90℃条件下反应24-72小时；

步骤a中，所述Pt前体盐或前体盐的混合溶液的盐浓度为1-20mg/mL；

步骤a中，所述Nafion聚离子占固含量的比例为5-85%。