[发明专利]一种气体扩散电极、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种气体扩散电极、制备方法及其应用。所述气体扩散电极包括气体扩散层及气体扩散层表面的金属氧化物涂层电催化剂。对气体扩散层表面进行修饰后，调节pH值使气体扩散层表面吸附带有相反电荷的金属离子，随后在其表面吸附热解金属前驱体，制备金属氧化物涂层电催化剂，得到气体扩散电极。本发明所制备的气体扩散电极具有结合紧密、接触电阻低、催化剂利用率高等优点。所制备的气体扩散电极可用于水电解、燃料电池、传感器、二氧化碳电化学还原的反应装置。

技术领域

本发明属于电化学催化领域，具体涉及一种气体扩散电极、制备方法和应用。所制备的气体扩散电极可用于水电解、燃料电池、传感器、二氧化碳电化学还原的反应装置。

背景技术

氢是一种可持续的化学能源载体，可以在不排放二氧化碳的情况下进行高效的能量转换，并具有长期、大规模存储能量的潜力。此外，作为交通、发电和工业原料，氢的吸引力巨大。聚合物电解质膜水电解是最有前景的电解制氢技术之一，具有环境友好、启动速度快、能量转换效率高、操作压力高、电流波动适应性强、产氢纯度高等优点。然而聚合物电解质膜水电解实现大规模产业化也存在一些问题，比如工况条件下，强酸、高氧化电位的环境使得耐腐蚀、耐氧化但昂贵的Ti基气体扩散层的使用成为必须。同时，伴随着析氧反应的进行，Ti基气体扩散层与催化剂层界面形成TiO₂钝化膜，导致接触电阻的升高，进一步影响电解性能。因此，气体扩散电极成为了聚合物电解质膜水电解领域的一个新的研究热点。

目前，气体扩散电极的研究主要集中在研究传统的膜电极制备方法，通过将制备的催化剂制备成浆液，喷涂在气体扩散层表面，由此制备得到气体扩散电极。Fumiak Amano等人(Fumiaki Amano,etal.ACS Applied Energy Materials，2020，3，4531-4538)将Ir、Ta前驱体的异丙醇溶液滴涂到Ti基气体扩散层上，烘干，重复多次后进行高温热处理，制备得到了具有IrO₂-Ta₂O₅涂层的气体扩散电极，降低了催化剂层和气体扩散层间的接触电阻，但是Ti基气体扩散层的比表面积较小，步骤冗杂，不利于大规模生产。MelanieBuhler等人(Melanie Buhler,etal.Journalof The Electrochemical Society，2019，166(14)：F1070-F1078)将IrO₂、水、异丙醇和Nafion制成的浆液混合均匀后，超声搅拌30分钟，采用超声喷涂仪将混合均匀的浆液喷涂到气体扩散层上，制备得到气体扩散电极，提升了电解性能，改善了传质极化损失，但是所制备的气体扩散电极的动力学极化损失较大，催化剂的利用率较低。

上述的研究虽然在改善电极接触电阻、提升电解性能方面有一些进展，但是制备工艺复杂或气体扩散层比表面积小，催化剂利用率低，材料成本仍居高不下。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种气体扩散电极、制备方法及其应用。所制备的气体扩散电极可用于水电解、燃料电池、传感器、二氧化碳电化学还原的反应装置。

本发明的技术方案为：

一种气体扩散电极，包括气体扩散层及气体扩散层表面的金属氧化物涂层电催化剂。

本发明中所述气体扩散层为钛板、钛网、烧结钛、钛毡、钛片中的至少一种。

本发明中所述金属为Pt、Ir、Pd、Au、Ru、Rh、Ag、Cu、Fe、Co、Ni、Mn中的至少一种。

本发明中所述金属氧化物涂层电催化剂的担载量为0.005-10mg/cm²，优选为0.05-5mg/cm²。

本发明另一目的为提供一种上述气体扩散电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)气体扩散层的表面修饰