[发明专利]一种膜电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种膜电极，包括质子交换膜和复合于所述质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层；所述阴极催化层和所述阳极催化层均由催化剂浆料制备得到，所述催化剂浆料包括非Pt催化剂、离子树脂溶液和分散溶剂；所述非Pt催化剂为具有金属有机框架结构的Fe/N/C催化剂。本申请还提供了一种膜电极的制备方法。本申请通过在膜电极中引入具有金属有机框架结构的Fe/N/C催化剂，使得膜电极用于燃料电池具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极其制备方法。

背景技术

随着经济的发展，传统化石能源短缺和环境污染等问题日益严重，全世界范围内人们都开始致力于研究新能源技术。其中，低温质子交换膜燃料电池技术因高效率、零污染的特点而备受瞩目。目前，质子交换膜燃料电池高性能的发挥依赖于阴极的含Pt催化剂。然而金属Pt存在储量低、价格高以及CO中毒等问题，这些问题制约了质子交换膜燃料电池的规模化应用。因此寻找并使用高效的非Pt催化剂是发展这一技术的关键。

过去人们研究的非Pt催化剂主要可以分为以下几类：钯基或钌基催化剂、非贵金属氧化物、硫属化合物、氮氧化物、氮掺杂型碳材料、M/N/C催化剂以及非金属催化剂。其中，具有金属有机框架结构(MOF)的Fe/N/C催化剂表现出很高的氧气还原反应(ORR)活性，被认为最具有发展前景。

过渡金属Fe、Co价格低，储量多，自从1964年Jasinski报道过渡金属卟啉和酞菁能显著提升ORR催化活性以后，过度金属掺杂N用于催化ORR反应就开始被广泛研究。Yeager报道了用高温热解的方法以非-N4大环化合物为前躯体制备M/N/C催化剂；大环类化合物催化活性好，但是在酸性环境下稳定性较差，通常使用高温热解的方法提高稳定性。但是热解方法有两个缺陷，一是催化剂易烧结，比表面积减小从而降低了催化活性，二是不能保存完好结构不利于研究者研究催化机理。2006年，Zelenay不借助热解的方法，合成了具有Co-N结构的催化剂，保留了催化剂的同时表现出了较好的稳定性，但催化性能不高。在2011年Dodelet等使用咪唑沸石Zn(II)金属有机框架结构(MOF)作为Fe，N先驱体，制备了Fe/Phen/ZIF8催化剂，在补偿电阻矫正电压为0.8V时，体积电流密度为230A·cm³，催化活性得到了很大的提高。最近有研究表明使用MOFs材料催化ORR反应，应用于质子交换膜燃料电池中，其性能高于普通的Fe或者Co催化剂。

虽然具有MOF结构的Fe/N/C催化剂合成技术研究很多，但是通常是在一定浓度的HClO₄环境下，通过旋转圆盘电极(RDE)测量还原电位和半波电位的方法表征催化剂活性。酸性溶液中的催化活性与真实的电池性能之间还有很大的差异，电池电极中质子阻抗更大，气体传输效率更低，酸碱程度等因素都会影响非铂催化剂ORR催化性能的发挥。基于Fe/N/C催化剂的膜电极研究工作鲜有报道，通常非Pt催化剂活性密度低于Pt催化剂，膜电极催化剂载量更高，使得非Pt催化剂膜电极厚度是一般Pt催化剂膜电极厚度的3-5倍。因此研究Fe/N/C催化剂膜电极的制备方法和改善膜电极性能对于这类催化剂的规模化应用具有重要意义。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种膜电极及其制备方法，本申请提供的膜电极用于燃料电池，具有优异的电化学性能。

有鉴于此，本申请提供了一种膜电极，包括质子交换膜和复合于所述质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层；所述阴极催化层和所述阳极催化层均由催化剂浆料制备得到，所述催化剂浆料包括非Pt催化剂、离子树脂溶液和分散溶剂；

所述非Pt催化剂为具有金属有机框架结构的Fe/N/C催化剂。

优选的，所述离子树脂溶液为浓度为5wt％的Nafion溶液，所述分散溶剂为无水乙醇。

优选的，所述非Pt催化剂、离子树脂溶液和分散溶剂的质量比为1：(10～18)：(30～120)。