[发明专利]一种非贵金属多孔骨架气体扩散电极及其制备和应用

说明书

一种非贵金属多孔骨架气体扩散电极，包括气体扩散层和基于气体扩散层的多孔骨架结构非贵金属催化层，多孔骨架结构非贵金属催化层附着于气体扩散层一侧表面，且在微观上具有规则的孔隙结构。所述多孔骨架结构是以Nafion聚离子为骨架，骨架上附着有非贵金属催化剂。所述具有规则的孔隙结构为于扩散层一侧表面纳米骨架形成均匀分布的孔隙，且孔隙之间相互连通，孔径大小为0.5微米至50微米。本发明具有催化层中孔隙均匀分布，0.5微米至50微米的大孔结构，暴露出更多的催化剂活性位，增加了催化剂的利用率的同时有利于催化层中的物质传递。

技术领域

本发明涉及一种非贵金属多孔骨架气体扩散电极，具体的说是一种可用于质子交换膜燃料电池，金属空气电池，碱性燃料电池的气体扩散电极。

本发明还涉及上述非贵金属多孔骨架气体扩散电极的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于其应用前景广阔，环境友好等特点，研究者已对其进行了深入的研究，特别是其核心部件MEA。目前，MEA中多用铂作为催化剂，但是铂价格昂贵且资源有限，严重制约了燃料电池技术的商业化进程。因此，开发以非贵金属材料为基础的催化材料，是目前能源技术领域亟待解决的关键问题之一，目前非贵金属催化剂的研究主要集中在提高催化剂中活性位数量及增加催化剂孔容以有利于传质上，但是针对非贵金属催化层研究比较少。

文献(Journal of the American Chemical Society,2013,135,16002-16005)中以硅纳米粒子，有序介孔硅和蒙脱土作为模板，合成了具有不同介孔的非贵金属催化剂。文献(Electrochemistry Communications,2013,28,5–8)以石墨烯水凝胶来形成多孔的非贵金属催化剂，上述文献都能形成多孔的非贵金属催化剂。由于非贵金属催化剂的活性位点较少，非贵金属催化层通常较厚，多孔的非贵金属催化剂并不能提高催化层的物质传质。

发明内容

本发明的目的在于制备一种多孔骨架结构的非贵金属气体扩散电极，此种气体扩散电极物质传质阻力较小，用于质子交换膜燃料电池，性能大幅提高。

为实现上述发明内容，本发明采用以下技术方案来实现：

一种非贵金属多孔骨架气体扩散电极，包括气体扩散层和基于气体扩散层的多孔骨架结构非贵金属催化层，多孔骨架结构非贵金属催化层附着于气体扩散层一侧表面，且在微观上具有规则的孔隙结构。

所述多孔骨架结构是以Nafion聚离子为骨架，骨架上附着有非贵金属催化剂。

所述具有规则的孔隙结构为于扩散层一侧表面纳米骨架形成均匀分布的孔隙，且孔隙之间相互连通，孔径大小为0.5微米至50微米。

所述非贵金属催化剂或为铁、钴、镍中一种或两种以上掺杂的碳材料，或为硼、氮、氧、氟、硫、磷、氯中一种或两种以上掺杂的碳材料，或为氧化铁、氧化钴、氧化镍中的一种，或为磷化铁、磷化钴、磷化镍中的一种。

所述催化层中Nafion的质量百分含量为5-95％

所述催化层中Nafion的质量百分含量优选为15-55％。

所述气体扩散层由支撑层和微孔层组成；所述支撑层为碳纸或碳布；所述微孔层为XC-72碳粉、BP2000碳粉、乙炔黑碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯中的一种或两种以上混合PTFE和/或Nafion后通过刮涂、刷涂、喷涂或丝网印刷至支撑层表面制得；所述多孔骨架结构催化层附着于气体扩散层的微孔层一侧表面。

所述气体扩散电极的制备方法，包括以下制备步骤，

(a)催化剂浆液的制备：

将非贵金属催化剂均匀分散于水中，加入Nafion溶液混合均匀，浓缩至固含量为5-25wt.％，形成制备多孔骨架非贵金属催化层浆液；