[发明专利]一种具有纤维结构的电极材料与制备和应用

说明书

发明涉及一种新型复合纤维结构电极及其制备方法与应用，具体地说这种纤维结构电极是微米或亚微米结构的纳米纤维结构，直径尺寸范围为20至500nm，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；电极材料的孔隙率为20至80％，由贵金属催化剂、有机磷酸基材料以及纺丝高分子组成，其具有可调控的纤维直径，纤维成分比例、孔隙率均可调节，结构有序可控：采用本发明所述方法制备的纤维结构电极材料的纤维直径、孔密度均可通过制备过程参数进行控制；其具有传质性能好，贵金属利用率高，离子传输效率高，实用性强等特点，其可作为高温聚合物电解质膜燃料电池的多孔电极，用于高温质子交换膜燃料电池电极中。

技术领域

本发明涉及一种新型复合纤维结构电极及其制备方法，具体地说这种纤维结构电极由贵金属催化剂、有机磷酸基材料以及纺丝高分子组成，其具有可调控的纤维直径，纤维成分比例、孔隙率均可调节，其可用于高温质子交换膜燃料电池电极中。

本发明还涉及上述复合材料的制备方法。

背景技术

基于磷酸电解质的高温(150-200℃)聚合物电解质膜燃料电池，由于其较高的工作温度具有较快的电极反应过程动力学以及对阳极CO等毒化物种较强的耐受性，是一种极有潜力的新型燃料电池技术，可对甲醇等液体燃料经过重整之后的富氢燃料直接利用，在交通工具、移动备用电源等传统油机替代领域具有广阔的应用前景。但与此同时，由于磷酸电解质的引入，其对铂基催化剂较强的吸附作用，严重降低了阴阳极电化学反应过程，并占据了有效活性位，对电极具有较强的毒化作用。与此同时，电极中的离子传输依赖于液体磷酸介质，其流动性极易导致电极中的磷酸流失，影响电极的长期稳定性，因此，亟待开发具有抗磷酸毒化且磷酸稳定的新型电极结构。

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，这种复合纤维结构电极具有基于铂基的电催化材料、有机磷酸基材料与纺丝高分子材料，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，可作为高温聚合物电解质膜燃料电池的多孔电极。

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20至500nm，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；电极材料的孔隙率为20至80％。

所述纳米纤维结构的直径优选范围为50nm至200nm，孔径尺寸优选范围为5nm-10nm；电极材料的孔隙率优选范围为50-75％。

所述纳米纤维结构材料的构成组分包括电催化活性材料、具有离子传导功能的有机磷酸材料以及纺丝高分子材料，所述纺丝高分子材料和电催化活性材料构成纳米纤维的主体，交织后构成电极材料；所述镶嵌于主体上的有机磷酸材料构成纳米纤维的多孔结构，负载后有机磷酸材料多孔结构孔径尺寸范围为1nm至50nm，孔隙率为40至60％。