[發(fā)明專利]一種納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極及其制備方法和應用

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• 申請日: 2013-12-15
• 公開（公告）號: CN104716348A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫公權(quán);夏章訊;王素力;姜魯華
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/94
• 分類號: H01M4/94;H01M4/88;H01M8/02;B82Y40/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.一種納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極，其特征在于：

包括氣體擴散層或質(zhì)子交換膜，基于氣體擴散層或質(zhì)子交換膜的納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)催化層；納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)催化層附著于氣體擴散層或質(zhì)子交換膜一側(cè)表面，且微觀上具有納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.如權(quán)利要求1所述納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極，其特征在于：

所述納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)催化層是以紡絲高分子PVP、PEO、PVDF、PAN為骨架，于紡絲高分子上附著有Nafion聚離子和催化劑，催化劑是以石墨烯、XC-72碳粉、乙炔黑碳粉、碳納米管、BP2000、氧化石墨中的一種或二種以上為載體，載體表面擔載有Pt或Pt合金的納米粒子。

3.如權(quán)利要求1所述納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極，其特征在于：

所述氣體擴散層由支撐層和微孔層組成；所述支撐層為碳紙或碳布；所述微孔層為XC-72碳粉、BP2000、乙炔黑碳粉、碳納米管碳納米纖維、石墨烯或氧化石墨中的一種或兩種以上混合PTFE或Nafion后通過刮涂、刷涂或噴涂至支撐層表面制得；所述質(zhì)子交換膜為Nafion系列膜或PBI膜中的一種；納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)催化層附著于氣體擴散層的微孔層或質(zhì)子交換膜一側(cè)表面。

4.如權(quán)利要求1所述納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極，其特征在于：

所述納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，納米纖維直徑大小為50-500納米，電極厚度為1-50微米。

5.如權(quán)利要求1所述納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極，其特征在于：

催化劑中Pt或Pt合金納米粒子擔載量5-75wt.%；Pt合金為PtCo、PtFe、PtNi、PtRu、PtPd,PtSn,PtPb中的一種；

所述Nafion聚離子占催化層質(zhì)量含量為5-85wt.%。

6.一種權(quán)利要求1-5任一所述納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極的制備方法，其特征在于：包括以下制備步驟，

a.紡絲漿液的制備

于溶劑中分散PVP、PEO、PVDF、PAN粉末中的一種或兩種以上，其中溶質(zhì)的濃度為220wt.%，混合均勻后得紡絲高分子溶液；

采用離子交換法將Pt前體鹽、或Co、Fe、Ni、Pd、Ru、Sn、Pb中任一一種的前體鹽與Pt的前體鹽的混合溶液離子交換至載體表面；再與Nafion聚離子溶液混合，濃縮至固含量為5-20wt.%；將所得漿液與上述紡絲高分子溶液混合，攪拌均勻后得納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)紡絲漿液；漿液中至Pt或Pt合金占固體總質(zhì)量的5-25wt%；

b.催化層的靜電紡絲制備

以氣體擴散層或鋁箔紙為基底，以上述步驟a所得紡絲漿液為料液進行紡絲，至催化劑的載量為0.2-10mg·cm^-2，得催化層前體；將上述催化層前體于氫氣氣氛下、200-500℃還原2-8h，得靜電紡絲催化層；

c.納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極的制備

步驟b中，所述基底為氣體擴散層時上述步驟即得納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極；

所述基底為鋁箔紙時將所制備的納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極轉(zhuǎn)壓至質(zhì)子交換膜上，即得納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極。

7.如權(quán)利要求6所述納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極的制備方法，其特征在于：

步驟a中，所述PVP、PEO、PVD、PAN的分子量為100萬-200萬；所述溶劑為乙醇、水、DMF中的一種或兩種以上；

步驟b中，所述紡絲條件為紡絲電壓15-45kV，進料速度0.1-20mL·h^-1；

步驟c中，所述轉(zhuǎn)壓條件為溫度80-120℃，壓力500-4000psi，時間1-5min。

8.如權(quán)利要求6所述納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極的制備方法，其特征在于：

步驟a中，所述載體為石墨烯、XC-72碳粉、乙炔黑碳粉、碳納米管、BP2000、氧化石墨中的一種或二種以上；所述載體濃度為0.01-1wt.%；

步驟a中，所述離子交換方法具體為將載體于水溶液中分散均勻，加入Pt前體鹽、或Co、Fe、Ni、Pd、Ru、Sn、Pb中任一一種的前體鹽與Pt的前體鹽的混合溶液，60-90℃條件下反應24-72小時；

步驟a中，所述Pt前體鹽或前體鹽的混合溶液的鹽濃度為1-20mg/mL；

步驟a中，所述Nafion聚離子占固含量的比例為5-85%。

9.一種權(quán)利要求1-5任一所述氣體擴散電極的應用，其特征在于：該電極可用作質(zhì)子交換膜燃料電池、直接液體燃料電池、金屬空氣電池、質(zhì)子交換膜型水電解池中的氣體擴散電極。