[发明专利]纳米三明治结构燃料电池非贵金属催化剂、膜电极及制备方法

权利要求书

1.一种燃料电池非贵金属催化剂，用于质子交换膜燃料电池或碱性燃料电池，其特征在于：所述的催化剂具有三维纳米三明治结构，成份由过渡金属、碳和氮三种元素共同组成；所述的三维纳米三明治结构由石墨烯片层与中间的纳米导电碳层组成，所述的过渡金属为Fe和Co中的任意一种或二种，被掺杂于石墨烯与纳米导电碳的结构中，所述的氮主要被掺杂于石墨烯与纳米导电碳的结构中。

2. 根据权利要求1所述的燃料电池非贵金属催化剂，其特征在于：所述的石墨烯片层与中间的纳米导电碳层的层间距取决于纳米导电碳的粒径或管径。

3.根据权利要求1所述的燃料电池非贵金属催化剂，其特征在于：所述的纳米导电碳包括纳米导电碳黑、纳米石墨球、碳纳米管、碳纳米纤维，纳米导电碳黑、纳米石墨球粒径为5~80 nm，碳纳米管、碳纳米纤维的管径为2~80 nm。

4.根据权利要求1所述的燃料电池非贵金属催化剂，其特征在于：其氮的来源为尿素，聚苯胺，聚吡咯，三聚氰胺，氨气或氨水。

5.如权利要求1所述的燃料电池非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于制备过程依次为：

步骤1：将氧化石墨烯，纳米导电碳，过渡金属前躯体盐在去离子水中超声分散均匀，经旋转蒸发仪除去大部分水分，然后冷冻干燥，除去所有水分，得到蓬松的灰褐色层状固体；所述的过渡金属前躯体盐为硫酸铁铵，硝酸钴；

步骤2：将以上所得层状固体研磨成粉，在氮源存在的气氛中，600-1000 ℃热处理20-60 min，得到黑色催化剂粉末，即为具有三维纳米三明治结构的非贵金属催化剂。

6.一种燃料电池有序化膜电极，其特征在于，该膜电极含有权利要求1所述的非贵金属催化剂，所述的膜电极从两侧到中间分别由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜构成。

7.如权利要求6所述的一种燃料电池有序化膜电极的制备方法，其特征在于，制备方法为：

1）将权利要求1所述的非贵金属催化剂制备成料浆，料浆的各种成分的质量分数关系为非贵金属催化剂︰质子交换树脂︰溶剂=5~1︰1︰5~30，其中所述的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、1-甲氧基2-丙醇、乙醚、石油醚、乙酸乙酯或丙酮；

2）将步骤1）制备的非贵金属催化剂料浆涂敷于经过预处理的气体扩散层表面，并在80-100 ℃下真空干燥，制得气体扩散层电极；

其中所述的气体扩散层的预处理方法是，将碳纸浸入到聚四氟乙烯疏水剂中，时间为5~10 min，并在340-350℃下煅烧20-30 min，聚四氟乙烯疏水剂的含量20 wt%-30 wt%，之后，再在其一侧涂敷一层由聚四氟乙烯和导电碳黑组成的复合材料层，其复合材料层中聚四氟乙烯含量为20 wt%-30wt%，经340-350℃下煅烧20-30 min后成型；

3）将步骤2）制备的气体扩散层电极与质子交换膜热压，获得燃料电池膜电极，热压的压力1~4MPa，温度90-120℃，时间60~120 s；

或是将步骤1）制备的催化剂料浆涂敷在质子交换膜的两侧，制得燃料电池芯片，之后，再与经过预处理的气体扩散层进行热压或冷接触，获得燃料电池膜电极，热压的压力1~4MPa，温度90-120℃，时间60~120 s。