[发明专利]一种光驱动快速制备膜电极的方法、装置及应用

说明书

本发明公开了一种光驱动快速制备膜电极的方法、装置及应用，将担载有金属大环化合物的聚合物电解质膜置于反应装置中，向反应池中加入铂金属前驱体和还原剂的混合溶液，在光照条件下铂在聚合物电解质膜上快速成核生长，获得膜电极。此方法工艺简单，可快速制备膜电极，重复性好，易于量产膜电极。

技术领域

本发明属于电化学领域（膜电极制备技术），具体涉及一种光驱动快速 制备膜电极的方法、装置及应用。

背景技术

膜电极系统（由聚合物电解质膜和催化剂层组成）是氢/氧质子交换膜 燃料电池、直接醇燃料电池及固体聚合物电解质水电解池等装置的核心和 关键元件，其性能直接影响燃料电池和电解水装置的性能。优化膜电极的 制备方法是提高其性能的一个重要方法。至今，人们对膜电极的制备工艺 进行了广泛研究并提出了多种方法。根据催化剂有无载体可分为两种模式。 第一种是担载型催化剂层的制备，将铂担载在催化剂载体上后再制备催化 剂层。例如：喷涂法—在100-150℃下，将Pt/C催化剂浆料喷涂在质子交换 膜上（CN200810024885.3）；丝网印刷法—使用催化剂浆料将催化剂丝网印 刷在质子交换膜上制备催化剂层（CN200710130584.4）；转压法—将Pt/C 催化剂浆料先涂敷在转压膜上，溶剂挥发，通过热压转印到质子交换膜上 （CN101355166A、CN101752570A）；或将第一层催化剂喷涂在基板上，在 催化剂层上喷涂质子交换树脂形成质子交换膜层，再喷涂第二层催化剂层。 在喷涂法或丝网印刷法中催化剂浆料的溶剂含有有机溶剂如乙醇、异丙醇、 丙醇等，质子交换膜遇到有机溶剂易溶胀变形，导致催化剂容易分布不均 匀。由于在转印前溶剂被挥发除去，转印法克服了质子交换膜溶胀变形的 问题，但是催化剂易于与转印介质黏结。总结担载型催化剂层制备方法， 这些方法需先配置催化剂浆料，然后在聚合物电解质膜上制备催化剂层， 工艺较繁琐，每一步都存在催化剂浪费的问题。此外，为了提高催化剂与聚合物电解质膜的结合，催化剂浆料中常加入质子膜交换树脂，但质子交 换树脂易于包裹催化剂，致使Pt缺乏三相界面，具有较低的利用率，如在 G.Sasikumar报道中，调节质子交换膜树脂的加入量以最优，Pt的利用率最 高只有50%左右（Journal of Power Sources,2004）。

第二种方法为无担载型催化剂层的制备，将催化剂直接制备在聚合物 电解质膜上，为一步制备膜电极法，大大减少了催化剂浪费的问题，催化 剂层与膜结合较紧密，且易于构建三相界面，提高Pt的利用率。例如：浸 渍还原法—将Nanfion膜浸渍在Pt(NH₃)₄Cl₂溶液中，Pt(NH₃)₄²⁺与膜内的H⁺交换，然后再将膜浸渍在NaBH₄中，将Pt还原，得到膜电极（B.-J.Hwang, Mat.Electrochem.Systems,2001），浸渍还原法制备的催化层与膜结合牢固、 均匀致密，但是Pt的载量不易控制，制备所需时间较长不易于量产膜电极； 真空溅射法—以Pt作为阴极，以Nafion膜为阳极，施加高电压，Pt溅射到 Nafion膜上形成催化剂层，获得膜电极（Masaaki Katoh,J.Photoploymer Science and Technology,2003)，真空溅射法制备膜电极可以降低催化剂层的 厚度，降低Pt的用量，但是工艺复杂、价格昂贵，提高了膜电极的制备成 本。

为了提高Pt的利用效率，简单、快速地制备催化剂载量可控的膜电极， 本发明公开了一种光驱动快速制备膜电极的方法、装置及应用。

发明内容

本发明的目的在于提高Pt的利用效率，且简单、快速制备催化剂载量可控的膜电极。

为了实现此目的，本发明的技术方案是：将担载有金属大环化合物的聚合物电解质膜置于反应装置中，加入铂金属前驱体和还原剂的混合溶液，在光照条件下铂在聚合物电解质膜上快速成核生长，获得膜电极；