[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

说明书

本发明提供一种高稳定性非贵金属催化剂电极及其制备方法与应用。本发明基于静电纺丝技术，通过将聚丙烯酸(PAA)和非贵金属催化剂(如Fe‑ZIF‑8)进行共纺，随后采用电化学方法进行苯胺在纳米纤维表面的聚合，形成聚苯胺包覆结构，热解后形成具有碳包覆结构的纳米纤维催化层。本发明对现有非贵金属催化剂的电极制备具有广泛适用性，在优化非贵金属催化剂电极结构、改善电极内部传质，提高催化层耐久性方面具有较重要的意义，电池测试证实了该纺丝电极具有高稳定性的特性，有助于推进燃料电池技术的商业化。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池非贵金属催化剂电极制备领域，具体地说是一种高稳定性非贵金属催化剂电极及其制备方法与应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有功率密度高、转换效率高、零排放等优点，近年来受到广泛关注。但是成本和耐久性问题仍是制约PEMFC商业化的瓶颈。非贵金属催化剂的出现对进一步降低成本具有重要意义。其中，Fe-N-C催化剂由于其良好的ORR性能成为研究热点，近年来，通过结构以及组成优化，Fe-N-C催化剂的全电池性能取得了明显进步。但是，目前现有非贵金属催化剂电极的制备方法仍集中于刷涂法或喷涂法来制备，即将催化剂和质子导体(如Nafion)均匀混合后刷涂或喷涂到气体扩散层或质子交换膜上。

但是，传统刷涂式或喷涂式电极中的催化剂呈堆叠模式，极易造成活性位点的覆盖和利用率降低，且不利于电极内部传质。用于催化氧还原的非贵金属催化剂及其制备方法(申请号：201810676531.0)中报道了一种利用活性炭的吸附能力和限域煅烧，将作为原子级分散的非贵金属原子Me和N原子吸附并限域在活性碳C的孔道中，以在保持活性炭的高导电性前提下，获得具有单原子分散能力的高效氧还原催化剂。该报道中催化剂的活性位点的分布仍位于杂乱无序的活性炭上，该电极结构与传统刷涂式以及喷涂式电极差别不大。此外，非贵金属催化电极、膜电极及其制备方法(申请号：201811118955.1)中报道了一种一体化膜电极的制备方法，即催化层由催化层材料前驱体混合物经过高温热处理使催化成分生长于或负载到电极扩散层上而形成，催化层材料前驱体混合物包括过渡金属前驱体、碳源材料和氮源材料，催化剂活性位点为M-N-C结构。该电极结构存在的问题为，将催化剂前驱体长在气体扩散层上，在高温碳化的过程中气体扩散层中的疏水PTEF结构随之被破坏，从而严重影响气体扩散层中的传质。

一种改进型静电纺丝制备碳纳米纤维基非贵金属催化剂的方法(申请号：201310566606.7)报道了一种通过静电纺丝技术来合成非贵金属催化剂的方法。将至少一种过渡金属盐与聚丙烯腈溶于溶剂，形成前躯体溶液；将前躯体溶液通过一定的参数条件下静电纺丝得到含铁的聚丙烯腈纳米纤维；将含铁的聚丙烯腈纳米纤维在含有微量氧化性气体的气氛下热处理，得到被微量氧化性气氛改进的含过渡金属与氮元素的碳纳米纤维。该催化剂全电池评价过程中电极结构仍采用传统喷涂和刷涂式方法制备，催化剂仍呈现堆叠式低利用率模式，因此，上述膜电极结构均未实现催化剂活性位点的高效利用以及电极内部传质的明显改善。

发明内容

与现有方法不同，本发明通过静电纺丝技术实现催化剂在纳米纤维表面的均匀分布，随后，采用电化学聚合方法在纳米纤维表面包覆聚苯胺并热解。与传统刷涂法制备的电极相比，本电极内部纳米纤维间的孔结构有助于改善电极内部传质。形成的聚苯胺包覆结构，有助于减缓催化剂在电池实际运行过程中的催化剂活性位点的损失以及碳的氧化腐蚀等问题。

本发明对非贵金属催化剂具有广泛适用性，在优化非贵金属催化剂电极结构、改善电极内部传质，提高催化层耐久性方面具有较重要的意义，电池测试证实了该纺丝电极具有高稳定性的特性，有助于推进燃料电池技术的商业化。具体采取如下技术方案：

本发明一方面提供一种非贵金属催化剂电极，所述非贵金属催化剂电极包括非贵金属催化剂、纺丝高聚物、聚苯胺和质子导体；所述非贵金属催化剂电极为纳米纤维结构；该电极结构为Nafion均匀包覆的纳米纤维结构，而该纳米纤维结构是由聚苯胺包覆的非贵金属催化剂纳米纤维构成。