[发明专利]一种纯水电解离子膜电极的制备方法

说明书

技术领域    

本发明涉及电解水制氢技术领域，特别涉及一种纯水电解离子膜电极的制备方法。

背景技术   

随着世界化石能源的供应危机加剧以及各国对于环境保护要求越来越高，开发新型清洁能源、高效利用能源成为世界各国政府和企业研发机构的研究热点。氢能作为一种清洁、高效能源载体，被寄予厚望，而电解碱液制氢技术比较成熟，曾经是世界各国大型制氢设备的主流技术，但是其电解质溶液容易发生流失、腐蚀，使用的石棉隔膜会污染环境，随着世界各国对环境保护的呼声日益增多，西方国家已经淘汰该技术。而固体聚合物电解技术（Solid Polymer Electrolyte, SPE)，由于具有环境友好、制备氢气纯度高、能量效率高等优点，成为研究热点。

纯水电解的核心部件是由固体聚合物电解离子膜和催化层组成的膜电极，具体说是通过物理或化学方法在离子膜的两侧加设阴阳极催化层。纯水电解的特殊环境要求制备的膜电极的催化层与离子膜结合紧密、催化剂在膜表面分布均匀，从而达到降低能耗、提高能量转化率并提高寿命的目的。

目前制备膜电极的方法主要有热压法、电化学沉积法、化学沉积法、浸渍还原法和真空溅射法。热压法制备膜电极，有时会造成离子膜的起皱和催化层涂覆不均匀，影响电解效率和使用寿命，专利号为200710151086.8，名称为“用于电解水的质子交换膜电极制备方法”的中国专利公开了一种将 质子交换膜吸附在真空加热板上，再将催化剂涂覆在质子交换膜两面的方法，但这样极易造成膜电极的污染。

发明内容   

为了解决以上热压法制备膜电极起皱、催化层涂覆不均匀和膜电极易受污染和膜电极电解效率不高、使用寿命短的问题，本发明提供了一种使用转印模板进行转印的制备催化层与离子膜结合牢固、催化剂利用率高、膜电极使用寿命长的纯水电解离子膜电极的制备方法。

本发明是通过以下方式实现的：

采用化学物理方法前期将成品离子膜处理为容易与催化层紧密结合的结构，采用转印模板法将优化配比和组成的阴阳极催化剂结合在离子膜两侧，形成具有夹心结构的膜电极。

一种纯水电解离子膜电极的制备方法，包括以下步骤：

（1）将阴极催化剂和阳极催化剂与Nafion溶液、异丙醇、丙三醇和蒸馏水分别配置成阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液；将阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液分别涂在转印模板上，80-130℃真空烘干；

（2）将烘干的两块转印模板固定于离子膜两侧，在130-190℃温度、6MPa压力下处理2-5min，保压6MPa冷却至常温，揭下转印模板，置于烘箱中真空70-110℃处理1h，得到纯水电解离子膜电极。

所述阴极催化剂采用Pt/C合金，Pt含量为20-100wt%，阳极催化剂采用Ir/Pt合金, Pt含量为30-70wt%。

优选阴极催化剂中Pt含量为40wt%，阳极催化剂中Pt含量为50wt%。

优选阴极催化剂溶液或阳极催化剂溶液中阴极催化剂或阳极催化剂与Nafion溶液、异丙醇、丙三醇和蒸馏水的重量比为1:5-10:15-25:2-8:15-25，Nafion溶液的浓度为5wt%。

优选阴极催化剂溶液或阳极催化剂溶液中阴极催化剂或阳极催化剂与Nafion溶液、异丙醇、丙三醇和蒸馏水的重量比为1:7:20:5:20。

优选离子膜为全氟磺酸离子膜，离子膜与转印模板固定前，浸没于沸H₂O₂溶液中，煮30-60min，然后浸于沸NaOH溶液中，煮30-60min。

优选离子膜浸于H₂O₂溶液之前，在沸蒸馏水中煮30-60min，然后对离子膜表面进行粗糙处理。

优选阴极催化剂溶液的涂刷量为1.45±0.50mg/cm²、阳极催化剂溶液的涂刷量为4.2±1.0mg/cm²。

优选两块转印模板材质分别为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或锡箔；转印模板厚度为3-5mm，长和宽分别比离子膜的长和宽大1-3cm，转印模板在涂刷阴极催化剂溶液或阳极催化剂溶液之前使用异丙醇、乙醇或丙酮清洗烘干。

优选全氟磺酸离子膜厚度为0.17mm，对离子膜表面进行粗糙处理优选用砂纸打磨。