[发明专利]一种燃料电池催化层及燃料电池

权利要求书

1.一种燃料电池催化层，所述催化层由电催化剂和离聚物组成，其特征在于：所述离聚物为全氟磺酸离聚体和COFs离聚物的混合物；

所述COFs离聚物与全氟磺酸离聚体的质量比为0.5：1～1.5：1；

所述COFs离聚物根据反应物种类不同，采用方法一或方法二合成；

所述方法一为溶剂热-后修饰法，具体步骤如下：

(1)将氨基芳香族化合物和芳香醛基类化合物分散均匀于溶剂A中，加入催化剂后除氧，溶剂热反应，离心分离得到固体，洗涤、真空干燥，得到COFs骨架；

所述氨基芳香族化合物为1,3,5-三氨基苯、1,3,5-三(4-氨基苯基)苯、5,10,15,20-四(4-氨基)苯基卟啉、2,7,9,14-四氨基芘或对苯二胺；

所述芳香醛基类化合物为2,5-二羟基对苯二甲醛、2,5-二甲氧基对苯二甲醛、2,5-二丁氧基对苯二甲醛、1,4-二(4-醛基苯基)苯、4,4'-联苯二甲醛、3,3”-对三联苯二甲醛或9,10-蒽二羧醛；

所述催化剂为三氟甲磺酸钪或乙酸水溶液；

所述溶剂A为正丁醇和二氯苯中至少一种；

(2)将COFs骨架粉末、还原剂在无水四氢呋喃溶剂中混合均匀，再滴加冰醋酸作催化剂，室温下搅拌48小时以上，得到悬浊液；将悬浊液离心分离，洗涤，真空干燥，得到还原后的COFs骨架；

所述还原剂为氰基硼氢化钠和硼氢化钠中至少一种；

(3)将还原后的COFs骨架粉末和反应试剂在溶剂B中混合均匀，回流搅拌反应48个小时以上，洗涤后用钠滤膜过滤；之后在氢离子浓度为1mol/L的除硫酸外的强酸水溶液中浸泡24小时以上进行离子交换，用纳滤膜进行过滤；真空干燥，得到COFs离聚物；

其中，所述反应试剂为催化剂氢氧化钠和接枝剂，或者所述反应试剂为催化剂碘化钾、载体和接枝剂；

所述接枝剂为3-溴丙烷基磺酸钠、2-溴乙基磺酸钠、4-溴-1-丁磺酸、4-溴-1-丁烷磺酸钠、9-溴-1-壬磺酸或5-溴-1-戊烷磺酸盐；

当所述催化剂为氢氧化钠时，溶剂B为去离子水，反应温度为80℃；

当所述催化剂为碘化钾时，溶剂B为二甲基亚砜，加入碳酸钾或碳酸钠作为载体，反应温度为120℃；

所述接枝剂的摩尔量是还原后的COFs骨架中碳氮单键数目的5～10倍；

所述催化剂的摩尔量与还原后的COFs骨架中碳氮单键数目相等；

所述方法二为一步溶剂热法或湿法球磨法，一步溶剂热法和湿法球磨法的反应物均为带有磺酸基侧链的氨基芳香族化合物和三醛基间苯三酚；

所述带有磺酸基侧链的氨基芳香族化合物为2,5-二氨基-1,4-苯二磺酸、2-氨基-1,4-苯二磺酸、1,4-对苯二胺-2,5-二磺酸、2,5-二氨基苯基-1,3-二磺酸、2,5-二氨基苯磺酸、4,8-二氨基-2,6-萘二磺酸、4,4'-二氨基[1,1'-联苯]-3-磺酸、4,4'-二氨基-[1,1'-联苯]-3,3'-二磺酸、3,3'-二甲基-4,4'-二氨基联苯-5-磺酸、4,4'-二氨基-5,5'-二甲基(1,1'-联苯)-3,3'-二磺酸、4,4'-二氨基-2',6-二甲基[1,1'-联苯]-3-磺酸或4,4'-二氨基-3,3'-二甲基联苯-5-磺酸；

所述一步溶剂热法，具体步骤如下：

将磺酸基侧链的氨基芳香族化合物和三醛基间苯三酚在有机溶剂中分散均匀，加入催化剂后除氧，溶剂热反应，离心分离得到固体，洗涤、真空干燥，得到COFs离聚物；

所述催化剂为三氟甲磺酸钪或乙酸水溶液；

所述有机溶剂为均三甲苯和二氧六环中至少一种；

所述湿法球磨法，具体步骤如下：

将带有磺酸基侧链的氨基芳香族化合物和三醛基间苯三酚直接湿法球磨1小时以上，再经洗涤、分离、真空干燥，得到COFs离聚物；

湿法球磨的溶剂为均三甲苯和二氧六环中至少一种。

2.根据权利要求1所述一种燃料电池催化层，其特征在于：所述COFs离聚物与全氟磺酸离聚体的质量比为1：1。

3.根据权利要求1所述一种燃料电池催化层，其特征在于：所述电催化剂为铂碳催化剂、铂钴催化剂或以科琴黑为碳载体的铂碳催化剂；所述全氟磺酸离聚体为DuPont公司生产的Nafion。