[发明专利]一种SPE水电解用超薄膜电极的结构及其制备和应用

说明书

本发明提供了一种SPE水电解用超薄电极的结构及其制备方法。首先以金箔为原材料，采用去合金法得到纳米多孔金薄膜，然后将此薄膜转印到离子交换膜上。以纳米多孔金薄膜作为支撑层担载催化剂，制备成超薄膜电极。本发明所构建的膜电极具有催化剂担量低、利用率高、易于放大等优点。所制备的膜电极可用于水电解池、可再生燃料电池以及其它的电化学反应器。

技术领域

本发明涉及固体聚合物电解质(SPE)水电解领域，具体为一种SPE水电解用超薄电极的结构及制备方法。所制备的超薄电极可用于水电解池、可再生燃料电池。

背景技术

随着技术、经济的不断发展，人类社会对能源的需求不断加大。一种清洁、高效的储能技术成为全人类的诉求。而日趋恶化的生态环境迫使人们加大研发的力度。

氢作为一种清洁、高效的能源载体，已成为世界各国政府和研究机构的研究重点。电解碱液制氢技术曾是大型制氢的主流技术。但是其电解液容易发生流失，使用的石棉隔膜对环境有危害，导致这种技术被淘汰掉。而固体聚合物电解技术(Solid PolymerElectrolyte,SPE)，由于具有环境友好、产氢纯度高、能量效率高、易于维护等优点，成为研究热点。

膜电极组件(MEA)是SPE水电解的核心部件。传统的MEA制备方法可分为两大类。一类是GDE法，另一类是CCM法。与GDE相比，CCM具有催化层薄、催化剂用量低等优点。目前，应用于SPE水电解的MEA采用的是CCM法制备。但是CCM较强的亲水性导致电解过程中产生的气体容易在催化层聚集，降低催化剂利用率。由于CCM的催化层与膜的溶胀性的差别和SPE水电解特殊的工作环境(长时间在水环境下运行，反应产生氢气、氧气等对催化层的冲刷)，易导致催化层与膜的剥离，从而增加催化层与膜之间的接触电阻，降低质子传导能力，影响SPE水电解池的寿命。

专利CN1967916A介绍了一种SPE水电解用部分共结晶催化层的涂覆方法。在经过部分共结晶处理的固体聚合物薄膜两侧分别附着上修饰层，制备修饰层的浆料由固体聚合物和低沸点溶剂组成。在修饰层上采用喷涂等方法担载Pt、Ir等催化剂。采用共结晶处理后，催化层与膜之间的结合力增强，CCM的抗拉强度提高了约25％。但是该专利中阴极催化层Pt担量为0.1-3.0mg cm^-2，阳极催化层析氧催化剂担量为0.5-5.0mg cm^-2。

专利CN102260877A采用砂纸对固体电解质膜进行打磨，从而达到增加催化层与膜的结合力的目的。再将催化剂浆料涂布在转印板上，将催化层转印至离子交换膜两侧。该专利制备的电极阴极催化剂担载量为1.45±0.5mg/cm²，阳极催化剂担量为4.2±1.0mg/cm²，并且电解质膜经过打磨，使其机械强度降低，影响电解池寿命。

专利WO2004021481-A1介绍了一种将纳米多孔金(NPG，nanoporous gold)用于质子交换膜燃料电池的方法。首先，将纳米多孔金转移至Pt的前驱体溶液中，然后向反应器中引入肼蒸气，最终在纳米多孔金的内表面上形成了3nm左右的Pt层。采用这种纳米材料组装的电池功率在140mW cm^-2左右。该专利将纳米多孔金薄膜作为自支撑的结构，但在制备的过程中纳米多孔金薄膜易碎，这增加了纳米多孔金表面修饰的难度，使得纳米多孔金薄膜这种功能材料在工程应用中受到限制。该专利采用的肼有毒。

纳米多孔金薄膜具有丰富的比表面积、三维联通的孔结构、优良的导电性、良好的抗腐蚀能力等特点。纳米多孔金的薄膜的厚度可在100nm-1000nm之间灵活调变。

本专利采用热压技术，预先将纳米多孔金薄膜热压于离子交换膜两侧，解决了纳米多孔金薄膜机械强度低，不易进行表面修饰的问题。