[发明专利]复合材料和复合材料为载体的催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种复合材料和复合材料为载体的催化剂及其制备和应用，具体是基于静电纺丝技术和溶液法，制备基于金属氧化物‑导电材料复合纤维/MO₂‑C及以其为载体的电催化剂N/MO₂‑C。其电催化剂载体/MO₂‑C为金属氧化物‑导电碳材料复合纤维，催化剂Pt的引入可以将催化剂载体分散到溶液中然后还原法引入Pt催化剂颗粒，也可以通过在纺丝液中添加Pt盐前躯体，然后一步法制备Pt基电催化剂。本发明通过导电碳材料的加入以及后期聚合物纳米纤维的一步低温处理，既保证了所制备的载体的疏松多孔结构，同时保证了碳材料于载体的导电性和结构的稳定性，此外空气或氧气气氛下的一步低温处理既保证了金属前驱体盐的氧化，同时保证了聚合物前体的分解和碳材料的稳定存在。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种复合材料和复合材料为载体的催化剂及其制备和应用。

背景技术

Pt是目前最为常见的质子交换膜燃料电池的电催化剂，其中碳载Pt(Pt/C)是最为广泛应用的，但是，Pt纳米离子与碳载体之间相互作用力较弱，且碳载体在高温强酸强电场下易腐蚀，严重影响了燃料电池长期运行稳定性。

为缓解这些问题，通常采用新型载体来制备催化剂。金属氧化物，特别是低d电子金属氧化物如TiO₂和CeO₂等，除具有优良的电/化学稳定性和耐酸碱腐蚀外，还表现出催化增加作用，同金属催化剂Pt之间存在强相互作用而抑制Pt团聚，在制备高稳定和高催化活性催化剂方面备受关注。但TiO₂导电性差，半导体特性使电子在Pt/TiO₂的HOMO轨道能量始终比Pt/C低，导致电子转移困难。有研究报道采用掺杂新型载体如SiC，TiO₂，CeO₂等和C杂化作为载体以提高Pt基催化剂的电催化活性和稳定性。大量研究表明Pt/TiO₂-C比Pt/C具有更高的电催化活性和更优的稳定性。Qing Lv等人将TiO₂纳米颗粒与碳黑超声分散混合后，浸入氯铂酸的乙二醇溶液中，借助超声辐射制备Pt/TiO₂-C电催化剂，相对于Pt/C电催化剂，活性和稳定性提高(J.Power Sources,2012,218:93)，但是纳米颗粒状的载体，导电性较差，且比表面积较小。随后，Xu-Le i Sui等人采用TiO₂纳米管(TNTs)与碳粉的混合体系制备Pt/C-TNTs电催化剂，进一步提高了活性了稳定性(J.Power Sources,2014,255:43.)，但是，制备方法比较复杂，需要先将Ti箔脱脂、后经两电极体系的阳极化处理，再经高温焙烧得到TNTs，然后TNTs与碳黑超声分散，再在乙二醇的Pt盐溶液中借助微波辐射引入Pt。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，开发了一种微观上具有纳米纤维交织的疏松多孔结构的MO₂-C复合材料(其中M为Ti、Ce、Ru、Sn中的一种或两种)，及其静电纺丝的方法制备。本发明制备的N/MO₂-C电催化剂微观上具有一维纳米纤维结构，且所述纳米纤维交织成疏松多孔结构，该结构具有了较大的比表面积，提高了电催化剂的比活性，网状结构促进了传质，较低的曲率半径利于提高催化剂的稳定性。

一种MO₂-C复合材料，所述MO₂-C复合材料中M为Ti、Ce、Ru、Sn中的一种或两种以上，所述MO₂-C复合材料微观上为纳米纤维交织的疏松多孔结构，所述纳米纤维的直径为50-500nm，孔隙率大于70％。

所述MO₂-C复合材料的制备方法，包括以下步骤，

1)静电纺丝溶液的配制：配制聚合物溶液和导电碳材料的分散液，并使二者混合均匀得混合液，于所得混合液中加入金属M的前驱体盐并再次混合均匀后得静电纺丝溶液，所述M为Ti、Ce、Ru、Sn中的一种或两种；