[发明专利]一种用于质子交换膜电解水的膜电极制备方法

说明书

本发明公开了一种用于质子交换膜电解水的膜电极，其特征在于，所述膜电极经有机分子修饰构筑有机无机复合界面，所述修饰有机分子包括含氟的磺酸类有机分子。通过本发明的新的膜电极，一方面降低氢气氧气析出产生的传质过电位提升能量转换效率，另一方面增加催化层与质子交换膜的作用力进而提高膜电极的稳定性，形成通用的膜电极性能提升方法。

技术领域

本发明涉及质子交换膜电解水制氢，尤其涉及电解水制氢的膜电极。

背景技术

目前，能源短缺与环境问题成为人类发展过程中所面临的两大主要问题。氢能由于具有资源丰富、可再生、可存储且清洁环保等优点而备受世界各国瞩目。水电解制氢技术是最清洁环保的制氢技术。其中，质子交换膜电解水(PEMWE)制氢技术由于具有较高的产氢纯度和产氢效率，氢气纯度高达99.999％、可以在高电流密度下运行等优点，被认为是未来最具发展前景的电解水制氢技术。

PEMWE是20世纪70年代由美国通用公司研究发展起来，作为电解质的质子交换膜具有较高的机械强度、化学稳定性、较高的质子电导率以及优异的气体分离性等特点,使PEMWE电解槽在较高的电流下工作而不降低电解效率。此外,采用纯水电解则避免了电解液对槽体的腐蚀,是一种安全性很高的水电解技术。膜电极作为PEMWE电解池的核心部件和物质传递、电化学反应发生的重要场所,其制备、结构和性能直接影响到PEMWE的性能以及寿命。

但目前PEMWE的性能仍有提升空间。其中，由于膜电极两侧气体析出导致的气泡过电位是导致电解水能量效率低和膜电极寿命短的关键技术难题之一。尤其在电解水工业生产中，通常需要大的电流，故会在膜电极表面上产生大量气泡。当气泡不能立即脱离膜电极表面时会使电极有效工作面积减小，阻止反应的继续进行，增加反应的过电位。

中国专利申请CN109995232A公开了一种适用于电解水制氢的调制电源，将恒压直流电调制为具有一定占空比的直流电，减少制氢时电极板的发热损耗，降低气泡效应对极板有效电解面积的影响，从而提高电流效率。

中国专利申请CN109183066A公开了一种电解水制氢用石墨基电极板，通过增加电极板表面的活性位点，抑制气泡生长则可使吸附态的氢气快速脱附。

因此，针对电解水中膜电极有效工作面积受气泡影响而减小、反应过电位增强的问题，未见现有技术从构筑膜电极有机无机复合界面角度去考虑解决。

发明内容

本发明的目的是提供了一种新的用于质子交换膜电解水制氢的膜电极，解决现有电解水技术中存在的膜电极气泡过电位导致的电解水能量效率低和电极寿命短的问题。

本发明提出了一种发展无机催化层表面有机分子修饰方法构筑有机无机复合界面的膜电极，所述有机分子修饰类型包括含氟的磺酸类有机分子。

在其中一些实施例中，所述修饰膜电极的磺酸类有机分子选自全氟丁基磺酸盐、全氟己基磺酸盐、全氟辛基磺酸盐、全氟丁基磺酰氟、全氟(2-乙氧基乙烷)磺酸酯等含氟元素的磺酸类有机分子中的至少一种。可供选择的修饰有机分子还包括三羟基聚氧化丙烯醚、磷酸三丁酯、聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚、正庚醇、全氟磺酰基乙烯基醚等醚、酯、醇的一种。

在其中一些实施例中，所述修饰膜电极的磺酸类有机分子与阴阳极催化剂的质量比为1:5～5:1。

本发明还提出一种质子交换膜电解水制氢的方法，使用如上所述的膜电极。

本发明基于有机分子修饰来构筑有机无机界面的技术手段提升膜电极性能，一方面降低氢气氧气析出产生的传质过电位提升能量转换效率，另一方面增加催化层与质子交换膜的作用力进而提高膜电极的稳定性，形成通用的膜电极性能提升方法。与膜电极不经有机分子修饰相比，经有机分子修饰后相同大电流下，电解水电压可降低30％；相同电解电压下，电解水电流大小可提升50％。此外，经有机分子修饰后膜电极表面气泡更快的生成与脱离，提升电极表面气体传质。

附图说明