[发明专利]一种高稳定性非贵金属催化剂电极及其制备方法与应用

权利要求书

1.一种非贵金属催化剂电极的制备方法，其特征在于，所述非贵金属催化剂电极为纳米纤维结构；所述纤维的尺寸为200~1200 nm；

所述的制备方法包括以下步骤：

a）配制含非贵金属催化剂的催化剂纺丝浆料，采用静电纺丝技术将催化剂纺丝浆料制备成纺丝催化层前体后，碳化处理；得到前体a；所述催化剂纺丝浆料包括非贵金属催化剂、纺丝高聚物；所述碳化处理的条件为：100~600℃处理1~4 h；

b）采用电化学方法将聚苯胺包覆在前体a的表面，形成聚苯胺包覆结构物；

c）将聚苯胺包覆结构物进行热解，得到碳包覆结构的纳米纤维催化层；

d）将步骤c）热解后的碳包覆结构的纳米纤维催化层进行Nafion包覆，得到所述的非贵金属催化剂电极；

非贵金属催化剂、纺丝高聚物、聚苯胺和Nafion的质量比为10:2:3:1~20:8:5:1；

所述纺丝高聚物为聚丙烯酸；

所述非贵金属催化剂为ZIF-8、Fe-ZIF、MOF-5、MIL-101、或ZIF-67。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤a）中配制的催化剂纺丝浆料包括非贵金属催化剂、纺丝高聚物、去离子水、异丙醇；所述纺丝高聚物占催化剂纺丝浆料干重的质量分数为5 % ~ 20%，所述催化剂纺丝浆料中，去离子水的质量分数为20% ~ 50%，异丙醇的质量分数为 30% ~ 50%；将催化剂纺丝浆料的各组分混合，先超声处理2~8 h，再搅拌12~48 h，温度为20~30℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝技术的条件参数控制为，环境温度为20~30℃，环境湿度为20~40 %，纺丝电位9~11 kV，进料速度为0.7~1.1 mLh^-1。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碳化处理为：于惰性气氛下，在100~600℃管式炉中处理1~4 h；所述惰性气氛为氮气或氩气气氛。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤b）的具体步骤为：采用三电极体系进行苯胺在前体a表面的聚合；所述前体a为工作电极，石墨为对电极，饱和甘汞电极为参比电极；电解质采用苯胺的KCL溶液或苯胺的HCL溶液；电势范围为0.2~1.0 V；所述苯胺的KCL溶液中，苯胺的浓度为0.1 ~0.5 M；KCL的浓度为2~5 M；所述苯胺的HCL溶液中，苯胺的浓度为0.1 ~0.5 M，HCL的浓度为3 M。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤c）的具体步骤为，将聚苯胺包覆结构物于60 ^oC真空干燥12~16 h后，在惰性气氛下，于800~1100^oC处理1~4 h；所述的惰性气氛为氮气或氩气气氛。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤d）所述的Nafion 包覆为将热解后的碳包覆结构的纳米纤维催化层置于80~140℃热台上，通过喷涂或滴涂或浸渍的方法将Nafion均匀包覆于热解后的碳包覆结构的纳米纤维催化层表面，然后进行干燥；干燥温度为60~90℃，干燥时间为12h或16h。

8.一种膜电极，依次包括扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、气体扩散层，其特征在于，所述阴极催化层为权利要求1所述的制备方法制备的非贵金属催化剂电极。