【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池，具体涉及一种柔性纤维膜负载金属的制备方法及应用。所述的应用为所述柔性纤维膜负载金属在氢氧燃料电池中直接作为催化层。
技术介绍
1、作为一种高效的氢能转换转换装置，质子交换膜燃料电池(pemfc)在减少碳排放和解决能源危机方面显示出巨大的研究潜力。pemfc作为复杂的电池系统，由众多的单体燃料电池组成。单体燃料电池主要由阳极板、阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层和阴极板组成，由流场和极板组成的两极板是h2和o2气体分配、集流和加热的重要场所。气体扩散层则是气体运输、能量传输和水管理的场所。燃料电池的重要核心部件膜电极则主要由催化层和质子交换膜组成，是燃料电池的核心反应场所，其反应效率和能量转换效率决定了燃料电池的性能。
2、目前，商用燃料电池的质子交换膜主要是美国杜邦公司生产的nafion膜和美国戈尔公司生产的系列膜。催化层的制备则是通过pt/c、ptco/c等催化剂与易挥发性溶剂和粘接剂按照一定比例混合均匀，制成浆料，将催化剂浆料通过静电喷涂、超声喷涂、刮涂等方式负载在质子交换膜或碳纸上，再将各部分组装成电池。这种制备催化层的方法不仅复杂效率低，还需要严格控制各组分比例，否则不利于催化层中三相界面的形成，影响质子、电子、气体的传输，难以提高燃料电池的性能。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种柔性纤维膜负载金属的制备方法和应用。所述方法制备的催化剂简单高效，能直接作为催化层与质子交换膜
2、本专利技术通过以下的技术方案实现：
3、一种柔性碳纤维膜负载一种或多种金属的制备方法，所述柔性碳纤维膜负载一种或多种金属用于氢氧燃料电池或锌空电池催化层，所述方法包括如下步骤，步骤a、mof的合成：将二甲基咪唑、金属盐1和任选的金属盐2在甲醇中反应，获得30-500nm粒径(例如，粒径为30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm)的mof；步骤b、柔性纤维膜的制备：将基体高分子、mof材料和有机溶剂混合，搅拌，得到电纺浆料，将所述电纺浆料电纺，通过取向接收器接收电纺纤维丝获厚度10-100微米的柔性纤维膜；步骤c、柔性纤维膜的预氧化及碳化：将所述膜平放，以1～5℃/min进行升温，依次在60～90℃保温20～30min、120～180℃保温20～30min，260～280℃保温50～90min的条件下进行预氧化，之后将预氧化膜在氮气气氛下以1～5℃/min进行升温，在700～1100℃保温40～120min进行碳化，得到有序筛管状碳纤维膜；步骤d、负载金属：将得到的碳纤维膜用水热的方法将金属均匀的负载在纤维膜上，洗净，烘干，得到所述柔性碳纤维膜负载金属；优选地，所述制备方法还包括步骤e、组装成膜电极测试性能：将上述步骤d中得到的负载过金属的柔性碳纤维膜直接作为催化层，与气体扩散层、质子交换膜组装成膜电极，在120～160℃，0.3～4mpa的压力下，热压5～10分钟测试性能。
4、进一步地，步骤b中，电纺时采用2500r/min～4000r/min高速取向接收器接收纤丝。例如，电纺时采用2500r/min、2600r/min、2700r/min、2800r/min、2900r/min、3000r/min、3100r/min、3200r/min、3300r/min、3400r/min、3500r/min、3600r/min、3700r/min、3800r/min、3900r/min或4000r/min高速取向接收器接收纤丝。
5、进一步地，步骤a中、二甲基咪唑和金属盐1的质量比为1：0.5～17。例如，步骤a中、二甲基咪唑和金属盐1的质量比为1：0.5、1：0.6、1：0.7、1：0.8、1：0.9、1：1、1：1.2、1：1.5、1：2、1：2.5、1：3、1：4、1：5、1：6、1：7、1：8、1：9、1：10、1：13、1：15或1：17。
6、进一步地，步骤a中、二甲基咪唑和金属盐2的质量比为1：0.01～5。例如，二甲基咪唑和金属盐2的质量比为1：0.01、1：0.02、1：0.03、1：0.04、1：0.05、1：0.06、1：0.07、1：0.1、1：0.5、1：0.8、1：1、1：2、1：3、1：4或1：5。
7、进一步地，步骤a中、mof的合成：不同比例的二甲基咪唑和金属盐合成的mof粒径不同，二甲基咪唑和金属盐(即金属盐1+金属盐2)按照1:1,1:4,1:8,1:16的质量比例甲醇中反应，比例越小合成mof粒径越小。
8、进一步地，基体高分子和mof材料的质量比为1～5:0.08～0.5；例如基体高分子和mof材料的质量比为1:0.08～0.5、1.1:0.08～0.5、1.3:0.08～0.5、1.5:0.08～0.5、1.7:0.08～0.5、2:0.08～0.5、2：0.1、2:0.2、2.5:0.08～0.5、3:0.08～0.5、3.5:0.08～0.5、4:0.08～0.5、4.5:0.08～0.5或5:0.08～0.5。优选地，基体高分子和有机溶剂的比例为1～5g：10～20ml。优选地，基体高分子的重均分子量为100000g/mol～300000g/mol；例如，基体高分子的重均分子量为10万g/mol、25万g/mol或30万g/mol。
9、优选的，步骤b中、柔性纤维膜的制备：将基体高分子在溶剂中溶解，在30～70℃条件下搅拌6h，然后加入mof材料，通过取向接收器接收电纺纤维丝获得柔性纤维膜；
10、优选地，步骤c中、柔性纤维膜的预氧化及碳化：将所述膜平放在磨砂石英板上以3℃/min进行升温，依次分别在90℃保温30min、180℃保温30min，270℃保温60min的条件进行预氧化，之后将预氧化膜在氮气气氛下以3℃/min进行升温，在900℃或1000摄氏度保温1h或90min进行碳化；
11、优选地，步骤d、负载金属：将得到的碳纤维膜用乙二醇在150℃反应4h，将氯铂酸还原成铂原子均匀的负载在纤维膜上，超纯水冲洗膜表面至水清澈透明，70℃真空烘干；
12、优选地，步骤e、组装成膜电极测试性能：将上述步骤c中得到的负载过金属的柔性纤维膜裁剪出2.5*2.5cm的面积，直接作为催化层与气体扩散层、质子交换膜等组装成膜电极，在150℃，0.5mpa的压力下，热压5分钟测试本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种柔性碳纤维膜负载一种或多种金属的制备方法，其特征在于，所述柔性碳纤维膜负载一种或多种金属用于氢氧燃料电池或锌空电池催化层，所述方法包括如下步骤，步骤A、MOF的合成：将二甲基咪唑、金属盐1和任选的金属盐2，在甲醇中反应，获得30-500nm粒径的MOF；步骤B、柔性纤维膜的制备：将基体高分子、MOF材料和有机溶剂混合，搅拌，得到电纺浆料，将所述电纺浆料电纺，通过取向接收器接收电纺纤维丝获厚度10-100微米的柔性纤维膜；步骤C、柔性纤维膜的预氧化及碳化：将所述膜平放，以1～5℃/min进行升温，依次在60～90℃保温20～30min、120～180℃保温20～30min，260～280℃保温50～90min的条件下进行预氧化，之后将预氧化膜在氮气气氛下以1～5℃/min进行升温，在700～1100℃保温40～120min进行碳化，得到有序筛管状碳纤维膜；步骤D、负载金属：将得到的碳纤维膜用水热的方法将金属均匀的负载在纤维膜上，洗净，烘干，得到所述的负载金属纳米颗粒的柔性碳纤维膜；优选地，所述方法还包括步骤E、组装成膜电极测试性能：将上述步骤D中得到的负载过金属的柔性碳纤维
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，优选地，所述的步骤A中金属盐1为硝酸锌或硝酸钴，金属盐2为硝酸铁、乙酸铁、硫酸亚铁、氯化铁等铁盐或硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍等镍盐或硝酸钴、乙酸钴、氯化钴等钴盐中的一种或多种盐；
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤B中基体高分子为聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的一种或多种。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤A中MOF材料ZIF-8、ZIF-67、铁掺杂ZIF-8、镍掺杂ZIF-8、铁钴掺杂ZIF-8和铁镍掺杂ZIF-8中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤A中MOF材料的粒径为30-200nm。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤B中，基体高分子：MOF材料质量比为1～3:1～3；优选地，基体高分子：MOF材料质量比为1：1、1：2或2：1；
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤E中气体扩散层为39BB、Freudenberg H24CX483、Tory 055。
8.权利要求1-7任一项所述的方法制得的柔性纤维膜负载金属。
9.权利要求8所述的柔性纤维膜负载金属在氢氧燃料电池或锌空电池中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种柔性碳纤维膜负载一种或多种金属的制备方法，其特征在于，所述柔性碳纤维膜负载一种或多种金属用于氢氧燃料电池或锌空电池催化层，所述方法包括如下步骤，步骤a、mof的合成：将二甲基咪唑、金属盐1和任选的金属盐2，在甲醇中反应，获得30-500nm粒径的mof；步骤b、柔性纤维膜的制备：将基体高分子、mof材料和有机溶剂混合，搅拌，得到电纺浆料，将所述电纺浆料电纺，通过取向接收器接收电纺纤维丝获厚度10-100微米的柔性纤维膜；步骤c、柔性纤维膜的预氧化及碳化：将所述膜平放，以1～5℃/min进行升温，依次在60～90℃保温20～30min、120～180℃保温20～30min，260～280℃保温50～90min的条件下进行预氧化，之后将预氧化膜在氮气气氛下以1～5℃/min进行升温，在700～1100℃保温40～120min进行碳化，得到有序筛管状碳纤维膜；步骤d、负载金属：将得到的碳纤维膜用水热的方法将金属均匀的负载在纤维膜上，洗净，烘干，得到所述的负载金属纳米颗粒的柔性碳纤维膜；优选地，所述方法还包括步骤e、组装成膜电极测试性能：将上述步骤d中得到的负载过金属的柔性碳纤维膜直接作为催化层与气体扩散层、质子交换膜组装成膜电极，在120～160℃，0.3～4mpa的压力下，热压5～10分钟测试性能；
2.如权利要求1所述的制...
【专利技术属性】
技术研发人员：毕文团，何立娟，肖翀，吴长征，谢毅，
申请(专利权)人：合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽省能源实验室，
类型：发明
国别省市：
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