[发明专利]复合纳米纤维和复合纳米纤维担载的催化剂及其制备和应用

说明书

本发明提供一种复合纳米纤维和复合纳米纤维担载的催化剂及其制备和应用,本发明基于静电纺丝技术和溶液法，制备高活性和高稳定性的电催化剂，其电催化剂的载体是基于金属氧化物‑导电聚合物材料的复合纤维，并在溶液法引入导电聚合物修饰金属氧化物纤维表面的同时Pt前躯体盐被还原为Pt，提高了Pt在载体上的分散度，所得金属氧化物‑导电聚合物‑Pt电催化剂有望提高电催化剂的活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池用复合纤维电催化剂及其制备方法。

背景技术

Pt是目前最为常见的质子交换膜燃料电池的电催化剂，其中碳载Pt(Pt/C)是最为广泛应用的，但是，Pt纳米离子与碳载体之间相互作用力较弱，且碳载体在高温强酸强电场下易腐蚀，严重影响了燃料电池长期运行稳定性。

为缓解这些问题，通常采用新型载体来制备催化剂。金属氧化物，特别是低d电子金属氧化物如TiO₂和CeO₂等，除具有优良的电/化学稳定性和耐酸碱腐蚀外，还表现出催化增加作用，同金属催化剂Pt之间存在强相互作用而抑制Pt团聚，在制备高稳定和高催化活性催化剂方面备受关注。但TiO₂导电性差，半导体特性使电子在Pt/TiO₂的HOMO轨道能量始终比Pt/C低，导致电子转移困难。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，发明了一种金属氧化物和导电聚合物复合纳米纤维及其制备方法，并藉此发明了以所述复合纳米纤维为载体的催化剂及其制备方法。

一种复合纳米纤维，所述复合纳米纤维为表面沉积有导电聚合物的金属氧化物纳米纤维，所述复合纳米纤维微观上为纳米纤维网状交织结构，所述纳米纤维的直径为50-500nm；所述复合纳米纤维中金属氧化物的质量含量为50-90％。

所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或两种以上；所述金属氧化物为TiO₂、CeO₂、RuO₂、SnO₂中的一种或两种以上的混合物。

所述复合纳米纤维的制备方法，包括以下步骤，

1)静电纺丝溶液的配制：配制聚合物溶液，于所得聚合物溶液中加入所述金属氧化物的前驱体盐混合均匀后得静电纺丝溶液；

2)金属氧化物纳米纤维的制备：将步骤1)所述静电纺丝溶液置于静电纺丝设备中进行纺丝得金属氧化物-聚合物纳米纤维前体；将金属氧化物-聚合物纳米纤维前体于空气或氧气气氛中一定温度下进行热处理使聚合物分解得金属氧化物纳米纤维，所述一定温度为所述聚合物的分解温度；

3)复合纳米纤维的制备；将步骤2)所得金属氧化物纳米纤维分散于稀酸溶液中得分散液，于所得分散液中依次加入导电聚合物单体溶液和氧化剂后置于0-4℃条件下反应，反应结束后洗涤干燥得复合纳米纤维。

步骤1)中所述聚合物溶液为聚丙烯腈或为聚乙烯吡咯烷酮，,聚合物为聚丙烯腈时溶剂可为N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或两种以上；聚合物为聚乙烯吡咯烷酮时溶剂可为乙醇、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或两种以上；所述聚合物溶液中聚合物的质量分数为5-20％；所述金属氧化物的前驱体盐为钛酸丁酯、硝酸铈、氯化钌、氯化锡中的一种或两种以上的混合物；纺丝溶液中金属氧化物前驱体盐的质量分数为5-20％；

步骤2)所述静电纺丝的条件为静电纺丝溶液的进料速度为0.03-1.0mm/min，静电纺丝的工作电压为10-30kV，纺丝针头与接收部件的距离为5-15cm；所述聚合物分解温度为200-380℃；