[发明专利]一体化膜电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种一体化膜电极，包括多孔复合膜和与多孔复合膜复合的多孔催化层。其中多孔复合膜含有无机物粉体、聚砜和支撑体，在兼具较高机械强度和产物气体纯度的基础上能够大幅提高电流密度和降低电解能耗。多孔催化层含有聚砜和催化剂，其具有较高的催化活性和产物选择性。本发明还提供了该膜电极的一体化成型制备方法，包括直接在未成形液复合膜坯体表面制备催化层，然后通过相转化法一步制得一体化膜电极，从而大大提高了膜电极的稳定性。

技术领域

本发明涉及隔膜电解技术领域，具体涉及一种一体化膜电极，以及该膜电极的制备方法和应用。

背景技术

隔膜电解技术具有结构紧凑、环境友好，产物纯度高等优点，近年来在电解水制氢、CO₂电转化领域得到广泛研究。隔膜电解途径主要依靠具有阴极室和阳极室的两室型电解池来完成，膜电极组件作为电解池核心部件介于阴、阳两室之间，用于完成两室物料的分隔、离子传导和提供氧化、还原反应场所。因此膜电极的质量对电解池整体性能起决定性作用，需要对其进行组成和结构优化，进而提高电解效率、产物选择性、稳定性等，一直是广大研究者的工作重点。

膜电极组件主要由隔膜和催化电极组成，分独立式的隔膜、电极结构和结合式的催化剂覆膜电极和气体扩散电极结构。隔膜、电极独立式结构具有方便安装和更换的优势而得到广泛应用，然而此结构下隔膜与电极之间两极电压降较大，具有电解能耗和成本较高的缺陷。催化剂覆膜电极和气体扩散电极结构可实现零极距，能有效降低电阻而成为研究热点。此结合式结构一般采用涂覆法将催化剂直接涂覆或通过转印法将涂覆好的催化剂热压转印到隔膜表面而获得。但单纯通过粘接剂以粘合或热合的方式，将催化剂与隔膜结合所制备的膜电极，易出现催化剂团聚、被包覆的催化剂利用率低、活性差和产物选择性低等问题，从而难以提高有效电流密度。同时在电解液冲刷或产物气体解析过程中易出现结构不稳定、催化剂流失而引起衰减较快等问题。此外为兼顾结合式膜电极的隔膜自身电阻及稳定性，一般选用离子交换膜(诸如Nafion膜)作为隔膜，使得膜电极造价成本偏高，从而进一步限制了其应用。

因此，为克服结合式膜电极的不足，需开发新型膜电极制备工艺，以提高有效电流密度、增加稳定性，从而改善电解池的整体性能。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种一体化膜电极，以克服当前结合式膜电极成本高、稳定性差、电流密度低等缺陷。

本发明的第二目的在于提供上述一体化膜电极的制备方法。

本发明的第三目的在于提供上述一体化膜电极在制氢、CO₂电转化等电解领域的应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明涉及一种一体化膜电极，包括多孔复合膜和与所述多孔复合膜复合的多孔催化层，其中所述多孔复合膜含有无机物粉体、聚砜和支撑体，所述多孔催化层含有聚砜和催化剂。

优选地，所述多孔复合膜中，无机物粉体与聚砜的质量比为2:1-9:1。

优选地，所述多孔催化层为阴极催化层或阳极催化层中的任一种。

优选地，所述多孔催化层还含有离子交换树脂，所述聚砜和离子交换树脂的总质量与催化剂的质量比为1:15-1:2，所述离子交换树脂与聚砜的质量比为0:1-1:1。

优选地，所述无机物粉体选自Zr、Sb、Ce、Ti的氧化物、碳化物、氮化物或氢氧化物粉体中的任一种。

优选地，所述聚砜选自聚芳砜、聚醚砜、聚亚苯基砜和双酚A型聚砜中的任一种。

优选地，所述催化剂为电解水制氢催化剂或电催化CO₂制CO催化剂。

优选地，所述支撑体填充在多孔复合膜的表面或内部，所述支撑体包括增强纤维网布。