[发明专利]聚酰亚胺/碳纤维布分解水制氧电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种聚酰亚胺/碳纤维布分解水制氧电极及其制备方法。该制备方法包括：提供聚酰胺酸溶液；将聚酰胺酸溶液涂布于碳纤维布，并干燥；及使涂布于碳纤维布的聚酰胺酸发生闭环缩聚反应，以在碳纤维布表面形成聚酰亚胺涂层，得到聚酰亚胺/碳纤维布复合的制氧电极。本发明的电极活性稳定性良好，产品具有良好的柔性和可加工性，其制备工艺简单、绿色安全且成本低、易于控制且可实现规模化放大生产。该产品在电催化水分解，能量转换和储存等众多领域具有十分广阔的应用潜力。

技术领域

本发明属于半导体聚合物电催化水分解领域，具体涉及一种聚酰亚胺/碳纤维布分解水制氧电极及其制备方法。

背景技术

自从世界经历一次和二次工业革命以来，科技的发展变得日新月异。然而到目前为止，绝大部分的能源需求仍然停留在对一些碳基不可再生能源的开发上，比如煤、石油和天然气等。伴随着越来越严重的环境污染和资源短缺问题，新型清洁能源的开发变得迫在眉睫。目前一些绿色的有前景的电化学能源储存或转化体系已经被开发了出来，其中包括碱性水电解池、燃料电池、金属空气电池等等，虽然种类多样，但是这些模型的基本原理都是双电极体系，负极(或阴极)负责析氢反应或者氧还原反应，而正极(或阳极)负责析氧反应或者氧化其他一些特定的化学物质。

然而，限制这些电化学体系被广泛投入现实应用的原因之一，是析氧反应有着很缓慢的化学动力学。作为电解水的两个半反应，析氢反应只牵涉到两个电子的转移，而析氧反应牵涉到四个电子和四个质子的化学转移过程。因此，从电化学曲线上来看，析氧反应相对于析氢反应有着更高的过电位。目前，一些被广泛使用的电极催化剂，比如Pt/C,已经可以让析氢反应的过电位降为接近0。然而，寻找高效实用的电极催化剂来加速析氧反应的动力学过程，始终是电化学领域近 20年来的研究热点。

目前，一些广泛研究的OER电极催化剂包括：RuO₂、IrO₂等贵金属氧化物，化学式为MOOH、LiMO₂、M(OH)₂的过渡金属化合物，以及一些金属硫化物、氮化物、碳化物等等。然而，金属化合物作为催化剂必然会伴随着一系列环境问题，特别是对于水环境的电解质体系。而且，如果面对大规模生产，其价格成本也不占优势。理想的电化学催化剂应该包含以下特点：1、低廉的价格和良好的加工性。2、良好的稳定性和催化效率，可以在一定电压下长时间保持工作性能。 3、无毒无污染，对环境无害。目前，一些符合条件的非金属无机物，例如氮化碳等结构，已经被证实拥有一定的电解水产氢催化活性。

如果能从更常见的非金属有机半导体聚合物中找到拥有优良的电解水产氧催化活性的材料，由于这类聚合物材料的合成方法简单廉价，工业制备条件成熟，同时具有较好的电化学稳定性，那么开发此类聚合物电化学电极催化剂不仅会在化工、能源等领域有重要的应用，也会为电催化材料研究提供新的视野。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种聚酰亚胺/碳纤维布分解水制氧电极及其制备方法。

本发明的第一方面是一种聚酰亚胺/碳纤维布分解水制氧电极，包括碳纤维布以及形成在其上的聚酰亚胺涂层。

根据本发明具体实施例的电极，所述聚酰亚胺涂层由涂布在碳纤维布上的聚酰胺酸涂层经闭环聚合而得到。

根据本发明具体实施例的电极，形成所述聚亚酰胺或所述聚酰胺酸的二胺单体和二酸酐单体各自为：1,4-苯二胺、1,3-苯二胺、二乙胺或1,8-芘二胺；和苯 -1,2,4,5-四羧酸二酐、萘-1,2,6,7-四羧酸二酐或蒽-1,2,8,9-四羧酸二酐。

本发明的另一方面是一种聚酰亚胺/碳纤维布分解水制氧电极的制备方法，可用于制备上述的本发明电极。该方法包括：提供聚酰胺酸溶液；将聚酰胺酸溶液涂布于碳纤维布，并干燥；及使涂布于碳纤维布的聚酰胺酸发生闭环缩聚反应，以在碳纤维布表面形成聚酰亚胺涂层。

根据本发明具体实施例的制备方法，其中所述聚酰胺酸溶液的浓度为1.0～3.0g/60mL，所述涂布为浸涂。