CN108063270A - 一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用，将金属钴和铁与多孔碳材料复合后，辅助造浆助剂造浆、纺丝，在多孔磁致伸缩面板上沉积形成在催化剂层，使用时在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频磁场作用下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，从而使催化剂不断拉伸和压缩，提高了催化剂活性。本发明提供上述方法克服了采用大多数过渡金属对氢和小分子的催化氧化活性低，采用贵金属催化剂造成催化成本的上升的缺陷，实现了催化性能基本与铂一致，大幅降低现有铂催化剂的成本，整个过程避免了高温煅烧高能耗的处理方式，无废气排放，满足节能环保要求，为提高非铂催化剂催化活性提供了新思路。

Description

一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用。
背景技术
由于对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重，寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质，对环境没有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度，因此，燃料电池具有广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC))是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)而发展起来的第五代燃料电池，采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置。
PEMFC主要由端板、双极板和膜电极等部件构成。膜电极是 PEMFC 的核心部件，主要由气体扩散层、催化层和质子交换膜构成。其中，位于质子交换膜两侧的催化层主要进行反应物的传输、反应物在电化学活性位的界面反应、质子和电子传导以及反应产物的排出等重要过程，是 PEMFC 进行电化学反应的重要场所。催化层一般使用贵金属，主要使用在高的电位下稳定且活性高的铂，其阴极氧还原反应需要大量贵金属铂作为催化剂，但是，铂价格高，而且资源量有限，从而增加了相关部件的制造成本，限制了该技术的商业化。因此开发非铂催化剂对推动质子交换膜燃料电池的低成本应用意义重大。然而，质子交换膜燃料电池的运行温度一般不超过100℃，在此温度下，多数过渡金属对氢和有机小分子的催化氧化活性都很低，因此提升非铂催化剂的活性是关键。
中国发明专利申请号201010522823.2公开了一种M/N-C催化剂及其制备和应用，采用钴盐与聚吡咯 (PPy) 直接浸渍，使Co与PPy上的N作用形成催化中心后，直接高温热处理该样品使得PPy发生热分解形成碳骨架，该碳骨架直接作为新型催化剂的碳载体以增强催化剂的导电性。虽然聚吡咯碳化之后能提供给催化粒子Fe、Co、Ni更大的比表面积，但是上述方法制备过程繁琐、影响因素多，聚吡咯碳化过程需要高温处理，并且需要惰性气体保护防止催化粒子氧化，催化剂活性无法满足燃料电池实际应用要求。
中国发明专利申请号201210440582.6公开了一种质子交换膜燃料电池阴极非铂催化剂及其制备方法，包括三聚氰胺甲醛树脂的制备反应，然后加入金属盐，三聚氰胺甲醛树脂和金属盐之间发生络合反应，形成络合物，将溶剂蒸发后，经热处理分解，即生成具有空心球型结构的质子交换膜燃料电池阴极非铂催化剂。但三聚氰胺甲醛树脂导电性差，使催化剂的导电性降低，与上述方案类似，空心球型结构的制备也同样无法避免对有机物的高温热处理，随之产生的复杂成分有害气体的产生，不利于达到节能环保要求。
目前质子交换膜燃料电池非铂催化剂普遍通过选取活性元素替代Pt，通过制备比表面积大的结构负载非铂活性元素，从而提高非铂催化剂的活性，但是载体制备过程繁琐、影响因素多，催化剂的活性无法得到保证，此外需要800℃以上高温处理，无法达到节能环保要求。
发明内容
针对大多数过渡金属对氢和小分子的催化氧化活性低，采用贵金属催化剂造成催化成本的上升的缺陷，本发明提出一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用，不需要对载体进行高温处理，从而大幅降低现有铂催化剂的成本，催化性能基本与铂一致。
为解决上述问题，本发明采用金属钴粉和金属铁粉作为活性材料，多孔碳材料作为载体，具体制备步骤如下：
（1）按质量份称取纯金属钴粉2-5份、金属铁粉6-15份和多孔碳材料18-30份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；
（2）称取共纺高分子聚合物粉体20-25份，加入溶剂40-55份进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料20-23份，高速搅拌分散，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；
（3）将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，启动注射泵，调节推进速度为1-200mL/h，调节工作电压为25-50kV，控制电纺时间为5-25分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成催化剂层。
（4）将沉积催化剂层的多孔磁致伸缩面板放入60-120℃的烘箱中，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。
优选的，所述金属钴粉的粒径为50-300nm，所述金属铁粉的粒径为50-200nm，所述多孔碳材料为石墨烯泡沫、碳纳米管和碳气凝胶中的一种，所述多孔碳材料的孔径为5-50nm，粒径为10-100μm。
优选的，所述球磨机的转速控制在1200-3000rpm，采用不锈钢球磨介质，介质球的直径为1-5mm。
优选的，所述共纺高分子聚合物纳米纤维直径50-250nm，所述共纺高分子聚合物粉体为聚偏氟乙烯／聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯／聚氨酯、聚偏二氟乙烯／六氟丙烯、聚苯胺／聚苯乙烯、聚苯胺／聚环氧乙烷、聚苯胺／聚甲基丙烯酸甲酯、Nafion／聚偏氟乙烯、Nafion／聚四氟乙烯、Nafion／聚环氧乙烷、Nafion／聚乙烯醇中的一种。
优选的，所述溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇或丙三醇中的一种或两种以上的混合。
优选的，所述高速搅拌的速度为500-2000rpm。
优选的，所述多孔磁致伸缩面板为金属磁致伸缩材料或铁氧体磁致伸缩材料，面板孔径为10-500μm。
优选的，所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成催化剂层厚度为0.5-2μm。
优选的，所述烘箱中的气压控制在20-80kPa。
优选的，作为质子交换膜燃料电池阴极氧还原催化剂，在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电场作用下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，使催化剂不断拉伸和压缩，提高催化剂活性。
针对大多数过渡金属对氢和小分子的催化氧化活性低，采用贵金属催化剂造成催化成本的上升的缺陷，本发明提出一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用，将金属钴和铁与多孔碳材料（石墨烯泡沫、碳纳米管、碳气凝胶）复合后，辅助造浆助剂造浆、纺丝，在多孔磁致伸缩面板上沉积形成在催化剂层。使用时在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电场作用下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，从而使催化剂不断拉伸和压缩，提高催化剂活性。显著的优势是：采用磁致伸缩，使由碳固定的金属钴和铁不断发生微小挤压和拉伸，从而保持催化剂在低温时的活性。该催化性能基本与铂一致，能够大幅降低现有铂催化剂的成本，降低了对贵金属资源的依赖。
将本发明制备的非铂催化剂与Pt催化剂进行测试，在催化效率等方面具有明显优势，如表1所示。
表1：
本发明 Pt催化剂 Fe/Co/Ni催化剂
CO/H2催化量mg·g-1 23-41 30-40 12-17
催化效率% 45-56 48-55 15-20
成本 低廉 高昂 低廉
本发明提供一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及应用，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明提出一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及应用，采用磁致伸缩技术，使用时在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频磁场作用下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，从而使催化剂不断拉伸和压缩，从而保持催化剂在低温时的活性，为提高非铂催化剂催化活性提供新思路。
2、本发明将金属钴和铁与多孔碳材料复合后，辅助造浆助剂造浆、纺丝，在多孔磁致伸缩面板上沉积形成在催化剂层，避免高温煅烧高能耗的处理方式，整个过程无废气排放，满足节能环保要求。
3、本发明采用属钴和铁与多孔碳材料作为原料，原料来源广泛，能够降低催化剂对贵金属的依赖，从而可以解决目前燃料电池所面临的催化剂资源问题，该催化剂大幅降低现有铂催化剂的成本，催化性能基本与铂一致，易于进行产业化发展。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）按质量份称取粒径为50nm纯钴粉5份、粒径为50nm铁粉6份和孔径为50nm，粒径为100μm石墨烯泡沫18份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，球磨机的转速控制在3000rpm，采用直径为1mm不锈钢球磨介质，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；
（2）称取直径250nm共纺高分子聚合物粉体聚偏氟乙烯／聚四氟乙烯20份，加入55份乙醇进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料22份，高速搅拌分散，搅拌的速度为500-2000rpm，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；
（3）选取孔径为20μm的金属Ni磁致伸缩材料作为多孔磁致伸缩面板，将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，微注射器的喷丝头为可拆式多针头，针头的直径为80微米，角度调节0±25°，启动注射泵，调节推进速度为200mL/h，调节工作电压为25kV，控制电纺时间为5分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成厚度为0.5微米催化剂层。当微注射器喷丝头顶端出现浆料微球后，施加高压清除浆料微球。
（4）放入60℃的烘箱中，烘箱中气压控制在80kPa，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。
将本实施例中非铂催化剂涂覆在改性碳纸上，催化剂载体量为20wt%，烘干后作为燃料电池阴极电极，制备为成效面积为10cm2单电池，在燃料气 (100ppmCO/H2 ) 流量为50ml/min，空气流量为600ml/min，操作压力均为0.1MPa，单电池在室温(25℃)下的输出功率密度最高可达26.2mW/cm 2，电池温度为 60℃条件下，在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电磁场0.1MHz，磁场强度2A/m条件下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，使催化剂不断拉伸和压缩，对电池进行活化后5min后，连续工作100小时后，测得输出功率密度最高可达26.0mW/cm 2。
实施例2
（1）称取粒径为140nm纯钴粉4份、粒径为140nm铁粉6份和孔径为28nm，粒径为90μm纳米管20份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，球磨机的转速控制在2500rpm，采用直径为4mm不锈钢球磨介质，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；
（2）称取直径220nm共纺高分子聚合物粉体Nafion／聚四氟乙烯23份，加入53份乙醇进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料22份，高速搅拌分散，搅拌的速度为1200rpm，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；
（3）选取孔径为300μmN i-Co铁氧体材料金属磁致伸缩材料作为多孔磁致伸缩面板，将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，微注射器的喷丝头为并列式多针头，针头的直径为55微米，角度调节0±25°，启动注射泵，调节推进速度为10mL/h，调节工作电压为23kV，控制电纺时间为15分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成厚度为0.5-2微米催化剂层。当微注射器喷丝头顶端出现浆料微球后，施加高压清除浆料微球。
（4）放入80℃的烘箱中，烘箱中气压控制在65kPa，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。
将本实施例中非铂催化剂涂覆在改性碳纸上，催化剂载体量为20wt%，烘干后作为燃料电池阴极电极，制备为成效面积为10cm2单电池，在燃料气 (100ppmCO/H2 ) 流量为50ml/min，空气流量为600ml/min，操作压力均为0.1MPa，单电池在室温(25℃)下的输出功率密度最高可达30.1mW/cm 2，电池温度为 60℃条件下，在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电磁场0.1MHz，磁场强度2A/m条件下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，使催化剂不断拉伸和压缩，对电池进行活化后5min后，连续工作100小时后，测得输出功率密度最高可达29.8mW/cm 2。
实施例3
（1）称取粒径为120nm纯钴粉3份、粒径为180nm铁粉10份和孔径为12nm，粒径为65μm石墨烯泡沫25份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，球磨机的转速控制在2300rpm，采用直径为4mm不锈钢球磨介质，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；
（2）称取直径170nm共纺高分子聚合物粉体聚苯胺／聚环氧乙烷23份，加入46份丙三醇进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料21份，高速搅拌分散，搅拌的速度为500-2000rpm，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；
（3）选取孔径为300μmFe-Co-V合金金属磁致伸缩材料作为多孔磁致伸缩面板，将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，微注射器的喷丝头为可拆式多针头，针头的直径为60微米，角度调节0±25°，启动注射泵，调节推进速度为30mL/h，调节工作电压为45kV，控制电纺时间为20分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成厚度为0.5-2微米催化剂层。当微注射器喷丝头顶端出现浆料微球后，施加高压清除浆料微球。
（4）放入70℃的烘箱中，烘箱中气压控制在65kPa，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。
将本实施例中非铂催化剂涂覆在改性碳纸上，催化剂载体量为30wt%，烘干后作为燃料电池阴极电极，制备为成效面积为10cm2单电池，在燃料气 (100ppmCO/H2 ) 流量为50ml/min，空气流量为600ml/min，操作压力均为0.1MPa，单电池在室温(25℃)下的输出功率密度最高可达35.8mW/cm 2，电池温度为 60℃条件下，在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电磁场0.1MHz，磁场强度2A/m条件下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，使催化剂不断拉伸和压缩，对电池进行活化后5min后，连续工作100小时后，测得输出功率密度最高可达35.0mW/cm 2。
实施例4
（1）称取粒径为300nm纯钴粉2份、粒径为200nm铁粉15份和孔径为5nm，粒径为10μm碳纳米管30份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，球磨机的转速控制在1200rpm，采用直径为5mm不锈钢球磨介质，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；
（2）称取直径50nm共纺高分子聚合物粉体聚偏氟乙烯／聚氨酯25份，加入40份异丙醇混合进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料20-23份，高速搅拌分散，搅拌的速度为500-2000rpm，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；
（3）选取孔径为10-500μm，Ni-Co-Cr合金金属磁致伸缩材料作为多孔磁致伸缩面板，将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，微注射器的喷丝头为可拆式多针头，针头的直径为10微米，角度调节0±25°，启动注射泵，调节推进速度为1mL/h，调节工作电压为25kV，控制电纺时间为25分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成厚度为2微米催化剂层。当微注射器喷丝头顶端出现浆料微球后，施加高压清除浆料微球。
（4）放入120℃的烘箱中，烘箱中气压控制在20kPa，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。
将本实施例中非铂催化剂涂覆在改性碳纸上，催化剂载体量为30wt%，烘干后作为燃料电池阴极电极，制备为成效面积为10cm2单电池，在燃料气 (100ppmCO/H2 ) 流量为50ml/min，空气流量为600ml/min，操作压力均为0.1MPa，单电池在室温(25℃)下的输出功率密度最高可达34.5mW/cm 2，电池温度为 60℃条件下，在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电磁场0.1MHz，磁场强度2A/m条件下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，使催化剂不断拉伸和压缩，对电池进行活化后5min后，连续工作100小时后，测得输出功率密度最高可达33.8mW/cm 2。
实施例5
（1）称取粒径为200nm纯钴粉3份、粒径为150nm铁粉12份和孔径为25nm，粒径为70μm碳气凝胶20份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，球磨机的转速控制在1500rpm，采用直径为3mm不锈钢球磨介质，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；
（2）称取直径210nm共纺高分子聚合物粉体Nafion／聚偏氟乙烯22份，加入48份乙醇与乙二醇的混合进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料21份，高速搅拌分散，搅拌的速度为1600rpm，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；
（3）选取孔径为200μmNi-Co-Cu铁氧体金属磁致伸缩材料作为多孔磁致伸缩面板，将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，微注射器的喷丝头为并列式多针头，针头的直径为25微米，角度调节0±25°，启动注射泵，调节推进速度为50mL/h，调节工作电压为28kV，控制电纺时间为16分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成厚度为1.4微米催化剂层。当微注射器喷丝头顶端出现浆料微球后，施加高压清除浆料微球。
（4）放入110℃的烘箱中，烘箱中气压控制在40kPa，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。
将本实施例中非铂催化剂涂覆在改性碳纸上，催化剂载体量为40wt%，烘干后作为燃料电池阴极电极，制备为成效面积为10cm2单电池，在燃料气 (100ppmCO/H2 ) 流量为50ml/min，空气流量为600ml/min，操作压力均为0.1MPa，单电池在室温(25℃)下的输出功率密度最高可达32.4mW/cm 2，电池温度为 60℃条件下，在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电磁场0.1MHz，磁场强度2A/m条件下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，使催化剂不断拉伸和压缩，对电池进行活化后5min后，连续工作100小时后，测得输出功率密度最高可达31.4mW/cm 2。
对比例1
阳极扩散层的炭纸其浸渍于氯铂酸中，经过氢气还原条件下，将石英反应管温度升高到 600℃，并保持 2 小时，制备得到20wt％Pt/C涂覆在改性碳纸上，催化剂载体量为20wt%，烘干后作为燃料电池阴极电极，制备为成效面积为10cm2单电池，在燃料气(100ppmCO/H2 ) 流量为50ml/min，空气流量为600ml/min，操作压力均为0.1MPa，单电池在室温(25℃)下的输出功率密度最高可达27.7mW/cm 2，电池温度为 60℃条件下，对电池进行活化后5min后，连续工作100小时后，测得输出功率密度最高可达26.5mW/cm 2，与同等催化剂载体量的实施例1和2测得的功率密度相当，表明本实施例中制备的非铂催化剂活性与铂一致，可以作替代铂催化剂使用。
对比例2
按照同实施例2工艺流程，（1）称取粒径为140nm纯钴粉4份、粒径为140nm铁粉6份和孔径为28nm，粒径为90μm纳米管20份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，球磨机的转速控制在2500rpm，采用直径为4mm不锈钢球磨介质，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；
（2）称取直径220nm共纺高分子聚合物粉体Nafion／聚四氟乙烯23份，加入53份乙醇进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料22份，高速搅拌分散，搅拌的速度为1200rpm，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；
（3）将配制成混合均匀的电纺聚合物浆料涂覆在改性碳纸上，催化剂载体量为20wt%，烘干后作为燃料电池阴极电极，制备为成效面积为10cm2单电池，在燃料气 (100ppmCO/H2 )流量为50ml/min，空气流量为600ml/min，操作压力均为0.1MPa，单电池在室温(25℃)下的输出功率密度最高可达9.2mW/cm 2，电池温度为 60℃条件下，对电池进行活化后5min后，连续工作100小时后，测得输出功率密度最高可达4.3mW/cm 2，电池电压电流都有所减小，其催化效果不如实施例2明显，进一步说明采用磁致伸缩技术时，非铂催化层催化活性较好。
表2
样 品 催化剂含量wt% 输出功率密度mW/cm 2 输出功率密度mW/cm 2（100h）
实施例1 20 26.2 26.0
实施例2 20 30.1 29.8
实施例3 30 35.8 35.0
实施例4 30 34.5 33.8
实施例5 40 32.4 31.4
对比例1 20 27.7 26.5
对比例2 20 9.2 4.3

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，采用金属钴粉和金属铁粉作为活性材料，多孔碳材料作为载体，具体制备步骤如下：
（1）按质量份称取纯金属钴粉2-5份、金属铁粉6-15份和多孔碳材料18-30份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；
（2）称取共纺高分子聚合物粉体20-25份，加入溶剂40-55份进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料20-23份，高速搅拌分散，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；
（3）将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，启动注射泵，调节推进速度为1-200mL/h，调节工作电压为25-50kV，控制电纺时间为5-25分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成催化剂层。
（4）将沉积催化剂层的多孔磁致伸缩面板放入60-120℃的烘箱中，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。
2.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述金属钴粉的粒径为50-300nm，所述金属铁粉的粒径为50-200nm，所述多孔碳材料为石墨烯泡沫、碳纳米管和碳气凝胶中的一种，所述多孔碳材料的孔径为5-50nm，粒径为10-100μm。
3.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述球磨机的转速控制在1200-3000rpm，采用不锈钢球磨介质，介质球的直径为1-5mm。
4.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述共纺高分子聚合物纳米纤维直径50-250nm，所述共纺高分子聚合物粉体为聚偏氟乙烯／聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯／聚氨酯、聚偏二氟乙烯／六氟丙烯、聚苯胺／聚苯乙烯、聚苯胺／聚环氧乙烷、聚苯胺／聚甲基丙烯酸甲酯、Nafion／聚偏氟乙烯、Nafion／聚四氟乙烯、Nafion／聚环氧乙烷、Nafion／聚乙烯醇中的一种。
5.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇或丙三醇中的一种或两种以上的混合。
6.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述高速搅拌的速度为500-2000rpm。
7.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述多孔磁致伸缩面板为金属磁致伸缩材料或铁氧体磁致伸缩材料，面板孔径为10-500μm。
8.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成催化剂层厚度为0.5-2μm。
9.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述烘箱中的气压控制在20-80kPa。
10.权利要求1-9任意一项所述的质子交换膜燃料电池非铂催化剂的应用，其特征在于，作为质子交换膜燃料电池阴极氧还原催化剂，在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电场作用下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，使催化剂不断拉伸和压缩，提高催化剂活性。
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