一种纤维材料及其制备方法和作为膜电极催化层的应用技术

本申请公开了一种纤维材料及其制备方法和作为膜电极的应用。包括催化剂和聚四氟乙烯；催化剂为铂碳催化剂；铂元素的质量分数为10～60wt％；催化剂的含量为20～50wt％；聚四氟乙烯的含量为1～7wt％具体的说这种纤维结构电极具有可调控的纤维直径，纤维成分比例以及纤维疏酸性能。所述电极材料包括催化剂和聚四氟乙烯；催化剂为铂碳催化剂；铂碳催化剂中铂元素的质量分数为10～60wt％；电极材料中所述催化剂的含量为20～50wt％；电极材料中聚四氟乙烯的含量为1～7wt％。氟乙烯的含量为1～7wt％。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维材料及其制备方法和作为膜电极催化层的应用


[0001]本申请属于高温聚合物电解质膜燃料电池领域，具体涉及一种纤维材料及其制备方法和作为膜电极催化层的应用。

技术介绍

[0002]高温聚合物电解质膜燃料电池(HT
‑
PEMFC)是近些年来发展起来的能量转换装置，电解质膜使用磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜，使其运行温度提升至150℃
‑
200℃。由于操作温度较高HT
‑
PEMFC抗CO中毒能力显著提升，加湿系统简化，废热利用价值高。在固定电站，便携式电源和车载电源等领域具有广泛的应用的前景。磷酸的引入是实现温度提升的关键，但由于磷酸具有强浸润性并毒化催化剂活性位，导致HT
‑
PEMFC极化损失加剧。因此在制备用于HT
‑
PEMFC电极时，需要加入疏水粘结剂如聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯等，来调控磷酸的分布及磷酸在电极表面浸润状态。
[0003]静电纺丝技术是一种可控制备直径为纳米级的纤维结构材料，静电纺丝制备的纳米纤维结构材料可以应用于燃料电池催化剂、膜等材料。电纺纳米纤维电极因其多孔结构和铂的高利用率而受到广泛关注。

技术实现思路

[0004]本申请将制备一种纤维结构的疏水/酸电极材料，这种纤维结构电极在微观形貌上具有纳米纤维的结构。此结构的电极材料由静电纺丝技术制备而成，可作为HT
‑
PEMFC的多孔电极。这种电极具有调控磷酸分布、改善磷酸浸润状态的作用。
[0005]为实现上述目的，本申请采用以下具体方案实施:
[0006]根据本申请的一个方面，提供一种电极材料，包括催化剂、聚四氟乙烯和高分子聚合物；
[0007]所述催化剂为二元或多元铂碳催化剂；
[0008]所述铂碳催化剂中铂元素的质量分数为10～60wt％；
[0009]所述纤维材料中所述催化剂的含量为20～50wt％；
[0010]所述纤维材料中聚四氟乙烯的含量为1～7wt％；
[0011]所述纤维材料具有多孔结构。
[0012]所述二元或多元铂碳催化剂包括作为活性组分的金属元素；
[0013]所述金属元素选自钯、铁、钴、镍或铜中的至少一中；
[0014]所述金属元素在所述铂碳催化剂中的含量为4.5～5wt％
[0015]所述高分子聚合物的分子量为77000～105600；
[0016]可选地，所述高分子聚合物选自聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一种。
[0017]根据本申请的另一个方面，提供一种上述的电极材料浆液的制备方法，至少包括以下步骤：
[0018]将含有催化剂、聚四氟乙烯和高分子聚合物的原料与水混合，搅拌，得到所述电极材料浆液。
[0019]所述搅拌的温度为25℃；
[0020]所述搅拌的时间为30～60min；
[0021]所述聚四氟乙烯的加入质量与催化剂的加入质量之比为：5：95～2：8；高分子聚合物的加入量为0.1g～0.3g；
[0022]所述纺丝液中固相物质含量为6
‑
10wt％。
[0023]根据本申请的另一个方面，提供一种电极材料的制备方法，至少包括以下步骤：
[0024]将含有电极材料浆液的纺丝液通过静电纺丝法静电纺丝，焙烧，得到所述电极材料；
[0025]所述电极材料浆液选自上述的电极材料浆液或通过上述的制备方法制备的电极材料；
[0026]所述纺丝液中固相物质含量为6～10wt％。
[0027]所述静电纺丝的温度为25～40℃；
[0028]所述静电纺丝的环境相对湿度为10～25％RH；
[0029]所述纺丝液的进料速率为1.0mlh
‑1～2.0mlh
‑1，电压为15～20kV，针头直径为15～25G，针头与接收器的距离为10～15cm。
[0030]所述焙烧的温度为250～300℃；
[0031]所述焙烧的时间为30～350min；
[0032]所述焙烧为气氛为氮气、氩气、氦气中的至少一种。
[0033]具体的包括以下过程：
[0034]将催化剂、聚四氟乙烯分散液和高分子聚合物超声分散于溶剂中，水浴超声后搅拌得到静电纺丝溶液；将分散均匀的纺丝液通过静电纺丝技术制备成具有纳米纤维结构的材料，后经热处理获得多孔的直径均匀的纳米纤维结构的催化层。
[0035]具体步骤如下：
[0036](1)将催化剂、聚四氟乙烯(PTFE)(疏水疏酸)分散液和超纯水超声分散于溶液中，超声30min,使催化剂分散均匀,然后加入高分子聚合物，在水浴中边超声边搅拌20～30min，机械搅拌12h得到纺丝液；
[0037](2)采用静电纺丝技术，对所纺丝液进行纺丝，得到催化层前体；
[0038](3)将所述催化层前体于250～300℃，热处理30～350min，得到催化层。
[0039]根据本申请的另一个方面，提供一种催化层，所述催化层通过上述的制备方法制备；
[0040]所述膜电极具有200～500nm的纤维结构；
[0041]所述膜电极的厚度为10～20μm；
[0042]所述膜电极表面磷酸液滴的接触角为132～137
°
[0043]根据本申请的另一个方面，提供一种高温聚合物电解质膜燃料电池，包括上述的膜电极；
[0044]所述高温聚合物电解质膜燃料电池的工作温度为150～200℃。
[0045]与现有技术相比，本申请具有以下优点
[0046]1、将疏水材料加入静电纺丝液中，通过静电纺丝和热处理方法，制备具有疏水/酸性能的纳米纤维电极。
[0047]2、本申请所制备的疏水/酸电极材料，应用于HT
‑
PEMFC有助于质子导体磷酸的分布；
[0048]3、本申请所制备的电极具有纳米纤维网状结构，网状形貌中的空隙结构有利于气体传输，增强反应气传质。
附图说明
[0049]图1为对比例1制备的PtCo/C催化层电池性能曲线图
[0050]图2为实施例1制备的PtCo/C纳米纤维催化层SEM图。
[0051]图3为实施例1制备的PtCo/C纳米纤维催化层表面磷酸液滴接触角图。
[0052]图4为实施例2制备的PtCo/C纳米纤维催化层SEM图。
[0053]图5为实施例2制备的PtCo/C纳米纤维催化层表面磷酸液滴接触角图。
[0054]图6为实施例3制备的PtCo/C纳米纤维催化层SEM图。
[0055]图7为实施例3制备的PtCo/C纳米纤维催化层表面磷酸液滴接触角图。
[0056]图8为实施例4制备的PtCo/C纳米纤维催化层电池性能曲线图。
具体实施方式
[0057]下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维材料，其特征在于，包括催化剂、聚四氟乙烯和高分子聚合物；所述催化剂为二元或多元铂碳催化剂；所述铂碳催化剂中铂元素的质量分数为10～60wt％；所述纤维材料中所述催化剂的含量为20～50wt％；所述纤维材料中聚四氟乙烯的含量为1～7wt％；所述纤维材料具有多孔结构。2.根据权利要求1所述的纤维材料，其特征在于，所述二元或多元铂碳催化剂包括作为活性组分的金属元素；所述金属元素选自钯、铁、钴、镍或铜中的至少一中；所述金属元素在所述铂碳催化剂中的含量为4.5～5wt％3.根据权利要求1所述的纤维材料，其特征在于，所述高分子聚合物的分子量为77000～105600；优选地，所述高分子聚合物选自聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一种。4.一种权利要求1所述的纤维材料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：将含有催化剂、聚四氟乙烯和高分子聚合物的原料与水混合，搅拌，得到纺丝液，通过静电纺丝法静电纺丝，焙烧，得到所述纤维材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，搅拌在冷循环超声清洗机中进行；所述搅拌的温度为10～35℃；所述搅拌的时间为30～60min6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素力，张子楠，孙公权，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：