[发明专利]一种中空纳米槽型膜电极的制备方法及其应用

权利要求书

1.一种膜电极的制备方法，其特征在于：制备方法包括如下步骤：

(1)配制可用于静电纺丝的高分子聚合物溶液；

(2)将步骤(1)中的高分子聚合物溶液在基底上进行静电纺丝；得到纳米纤维模板剂；

(3)通过磁控溅射在所述纳米纤维模板剂表面上担载催化剂；

(4)采用溶剂浸泡或煅烧的方式去除纳米纤维模板剂；得到附在基底上的中空纳米槽催化剂层

(5)采用热压的方式将所述附有基底的催化剂层转印至离子交换膜的一侧或两侧；

(6)净化，得到所述膜电极；

所述催化剂层为三维贯通的中空纳米槽型；所述催化剂层的催化剂为金属Pt或Ir，或所述催化剂为Pt与Pd、Co、Ir、Fe、Ni、Cu、Mn、Au、Ag、Ru中的一种的构成多元合金；所述膜电极，催化剂的载量为0.01-50mg cm^-2。

2.按照权利要求1所述膜电极制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的可用于纺丝的高分子聚合物溶液为水溶性聚合物和水；或可用于纺丝的高分子聚合物溶液为可溶于有机溶剂的高分子聚合物和有机溶剂；

所述水溶性聚合物为聚丙烯酸，聚环氧乙烷，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，环糊精，聚丙烯酸钠，羟丙基纤维素(HPC)中的至少一种；

所述可溶于有机溶剂的高分子聚合物为聚丙烯腈(PAN)，聚苯乙烯(PS)，聚醋酸乙烯酯，聚碳酸酯，聚酰亚胺，聚苯并咪唑，聚酰胺，聚氯乙烯，聚苯胺，聚甲基丙烯甲酯(PMMA)，聚吡咯，聚噻吩，聚偏氟乙烯中的至少一种；所述有机溶剂为甲醇、乙醇，正丙醇，异丙醇，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，二甲基亚砜(DMSO)，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)；所述高分子聚合物溶液浓度为0.01wt.％-20wt.％。

3.按照权利要求1所述膜电极制备方法，其特征在于：步骤(2)中静电纺丝的电压为10-25kV，进料速度为0.3-1mL/h，转鼓接收器的转速为100rpm/min-300rpm/min，针头直径为0.3-0.7mm；环境参数：温度10℃-30℃，相对湿度10％-50％RH；所述基底为不锈钢，铝箔。

4.按照权利要求1所述膜电极制备方法，其特征在于：步骤(4)中去除纳米纤维模板剂的溶剂为水，甲醇，乙醇，正丙醇，异丙醇，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，二甲基亚砜(DMSO)，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)；溶剂浸泡法的浸泡时间为1-24h，浸泡温度为20-120℃；高温焙烧法为通过400-1000℃高温焙烧1-24h。

5.按照权利要求1所述膜电极制备方法，其特征在于：步骤(5)中转印至离子交换膜的转印压力为0.5-10MPa，转印温度为90-160℃，热压时间为1-60min。

6.按照权利要求1所述膜电极制备方法，其特征在于：步骤(6)中膜电极的净化步骤为：(A)对膜电极进行水洗，将膜电极浸泡于去离子水中清洗，水洗温度为20-100℃，水洗时间为1-24h；

(B)将膜电极置于过氧化氢的水溶液中清洗；过氧化氢浓度为0.5-10wt.％，清洗温度为20-80℃；清洗时间为1-24h；

(C)将膜电极置于去离子水中清洗，清洗温度为20-100℃，清洗时间为1-24h。

7.一种权利要求1所述制备方法制备得到的膜电极，所述催化剂层的厚度为0.1-1μm，所述中空纳米槽的直径为50-800nm，所述中空纳米槽的壁厚为2-20nm，长度为100-800nm，所述催化剂层的孔隙率为25-50％。

8.一种权利要求7所述膜电极的应用，其特征在于：所述膜电极用于质子交换膜燃料电池，固体聚合物电解质水电解，一体式可再生燃料电池。