[发明专利]一种具有纤维结构的电极材料及制备和应用

说明书

一种具有纤维结构的电极材料，其为直径是微米或亚微米结构的纳米纤维结构，纤维结构中还包括孔径为纳米级的多孔结构，孔隙率为20至80％。所述纳米纤维结构电极材料的构成组分为离子导体材料和电子导体材料。本发明所述电极材料与现有技术相比结构有序可控、传质性能好、贵金属利用率高、离子传输效率高、实用性强。

技术领域

本发明涉及一种新型纤维结构电极及其制备方法，具体地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、孔隙率均可调节，其可用于质子交换膜燃料电池、直接液体燃料电池、金属空气电池和超级电容器、锂离子电池等电极中。

本发明还涉及上述复合材料的制备方法。

背景技术

具有有序纤维结构的电极材料在电子、能源、生物医药等领域具有巨大的应用潜力。电极中适用于电化学环境的导电材料通常为基于碳的各类纳米材料，例如碳纳米管、石墨烯、活性炭等。这类材料具有的一个显著特点为其通常呈现出柔性特征，且在构成多孔电极的过程中，其孔结构多为由粒子堆积而成二级孔结构。在燃料电池电极等的应用领域，结构上的孔结构控制构造以及电荷、物质传导的可控性是研究电极基本过程、阐释电极电化学行为、提升电极性能的基本要求。传统电极制备方法中，将电极材料浆液通过各类涂布技术在基底上构筑交联堆积而成的电极层，往往具有不可控的孔隙率、孔尺寸以及孔道形状，难以实现电极性能构效的深入研究，也难以实现电极性能的提升。

鉴于此，开发一种孔尺寸、孔隙率均可控，且制备过程简单易行、适用于绝大多数电极材料的电极制备方法，是目前多孔电极发展的关键之一。

发明内容

本发明将制备一种纤维结构的电极材料，这种纤维结构电极在微观形貌上具有纳米纤维的结构，同时还具有多孔的形貌特征，此结构的电极材料由静电纺丝技术制备而成，可作为燃料电池、金属空气电池、电化学传感器等器件的多孔电极。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种具有纤维结构的电极材料，其为直径是微米或亚微米结构的纳米纤维结构，直径尺寸范围为100至2000nm，纤维结构中还包括孔径为纳米级的多孔结构，孔径尺寸范围为1至50nm，孔隙率为20至80％。

所述纤维结构电极材料的构成组分为离子导体材料和电子导体材料，离子导体材料包括全氟磺酸聚合物、聚苯并咪唑、聚醚醚酮及它们三者中任一衍生物材料中的一种或二种以上，，电子导体材料包括铂、金、银、钌、钯或它们五者中任二者以上的合金中的一种或二种以上；其中不添加或还可添加电催化材料，电催化材料以及包括碳氮材料、过渡金属碳氮材料、过渡金属氧化物中的一种或二种以上。

所述纤维结构电极材料中的金属离子还原剂与多孔结构的生成模板，包括聚丙烯酸、聚环氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或二种以上。

所述纤维结构电极材料的制备方法，包括以下制备步骤，并如图1所示。

a.复合纺丝溶液制备

将一定质量的氯铂酸、氯金酸、硝酸银、氯化钌、氯钯酸中的一种或二种以上，或氯铂酸、氯金酸、硝酸银、氯化钌、氯钯酸中的一种或二种以上以及硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸铜中的一种按照物质的量之比为5:1至1:5，加入水、二甲基甲酰胺、甲醇、乙二醇或乙醇中的一种或二种以上溶剂中，使得贵金属质量浓度为1至10％，充分溶解后备用。

将一定质量的离子导体材料，包括全氟磺酸聚合物、聚苯并咪唑、聚醚醚酮及它们三者中任一衍生物材料，加入到上述溶液中，使其质量浓度为0.1至5％，搅拌2至48h，充分溶解均匀后待用。

将一定质量的聚丙烯酸、聚环氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或二种以上，加入到上述溶液中，使其质量浓度为1％至20％，在室温至80℃条件下，搅拌2至48h，充分溶解均匀后待用。