定向气体输运电极及其制备方法与用途及包含其的电解池技术

本发明专利技术公开了一种定向气体传输的定向气体输运电极，所述电极由导电基底和所述导电基底两面负载的亲气层和催化剂层构成，所述催化剂层的气泡接触角为90‑110度，所述导电基底具有当量直径为30‑80微米的贯穿孔道。本发明专利技术还公开了上述电极的制备方法和用途。本发明专利技术还公开了一种包含其的电解池。本发明专利技术的电极可对电解产生的气泡产生定向引导的意外效果。气泡从所述电极的疏气面穿过所述导电基底的贯穿孔道，迁移至亲气面。本发明专利技术的电极具有两个有益效果：(1)避免电解产生的气泡在电极催化剂层的粘附，从而提高了电极的工作效率；(2)防止气泡在电解液中的随意扩散，可以定向收集气体。

Directional gas transport electrode and its preparation method, application and electrolytic cell containing it

【技术实现步骤摘要】
定向气体输运电极及其制备方法与用途及包含其的电解池
本专利技术属于电极制备领域，特别涉及一种定向气体输运电极及其制备方法与用途及包含其的电解池。
技术介绍
很多电化学反应都涉及到气体的析出，在反应过程中如果产生的气泡不易从电极表面上脱附，就会聚集在电极表面形成气膜，覆盖反应位点，影响电极的工作效率。目前，主要依靠对电极做浸润性处理降低电极对产生气泡的粘附力，处理方法包括在电极表面构建阵列化结构、在电极表面修饰低表面能的物质等。这些方法往往处理过程比较复杂，且气泡仍然会在电极表面长大到一定尺寸后再逸出，气泡的脱附过程也可能会损坏催化剂的结构，最终影响电极的活性。且在零(微)重力条件下，产生的气泡会粘附在电极表面，将会影响电解反应的进行。为了解决上述问题，提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术提供一种定向气体输运电极，所述电极由导电基底和所述导电基底两侧负载的亲气层和催化剂层构成，所述催化剂层的气泡接触角为90-110度，所述导电基底具有当量直径为30-80微米的贯穿孔道。优选地，所述导电基底为不锈钢网，所述网孔当量直径为30-80微米；或者所述导电基底为多孔导电材料，所述多孔导电材料的孔径为30-80微米。优选地，所述催化剂层为铂碳层或铱碳层。优选地，所述亲气层为聚四氟乙烯层。优选地，所述定向气体输运电极中的聚四氟乙烯分布密度在垂直于多孔电极平面方向上具有梯度。所述定向气体输运电极在垂直于多孔电极平面方向，从疏气层到亲气层，亲气性能逐渐提高，对气体具有从疏气层到亲气层方向的牵引力。其原因是，亲气处理方法为对所述导电基底的其中一面喷射聚四氟乙烯溶液，由于所述导电基底具有一定的厚度，造成距离喷射源较近的导电基底内侧负载的聚四氟乙烯溶液较多，沿着孔道方向向外，孔道内侧由于浸润作用负载的聚四氟乙烯溶液较少，因此从疏气层到亲气层，亲气性能逐渐提高。本专利技术第二方面提供一种第一方面所述的定向气体输运电极的制备方法，其包括如下步骤：A、选用具有当量直径为30-80微米的贯穿孔道的导电材料作为导电基底；B、对所述导电基底的一面进行亲气处理，则所述导电基底的该面负载上亲气层；然后C、将催化剂浆料涂覆在所述导电基底的另一面使得其气泡接触角为90-110度，干燥，得到所述定向气体输运电极。优选地，步骤B中所述亲气处理方法为对所述导电基底的一面喷射聚四氟乙烯溶液，然后烘干，焙烧，冷却；所述步骤C的所述催化剂浆料包含催化剂、全氟磺酸型聚合物溶液、醇类。优选地，所述聚四氟乙烯溶液的浓度为1-30wt％。优选地，所述喷射操作重复三次。本专利技术第三方面提供一种电解池，所述电解池的工作电极为权利要求1所述的定向气体输运电极。其中，所述电解池可用于微重力或零重力条件下。本专利技术第四方面提供本专利技术第一方面所述的定向气体输运电极在太空中电解水产生氧气并进行定向气体传输的用途。优选地，电解水过程中，电解器阳极使用的所述定向气体输运电极的催化剂层为铱碳层。优选地，电解水过程中，电解器阴极使用的所述定向气体输运电极的催化剂层为铂碳层。本专利技术第五方面提供本专利技术第一方面所述的定向气体输运电极在耗气反应中定向气体传输的用途。优选地，应用于氧还原领域时，可将所述定向气体输运电极漂浮在电解液上进行耗氧反应，其中亲气层朝向空气，疏气层朝向电解液。此时所述定向气体输运电极能够抓取空气中的氧气作为反应物参与反应，不需要再向体系中曝氧气。本文的浸润性是指电极材料的亲疏水性或亲疏气性，浸润性越好，则亲水疏气性越好，疏水亲气性越差；反之亦然。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术首次发现，在非对称浸润性电极领域，当所述非对称浸润性电极的疏气侧的催化剂层的气泡接触角为90-110度，导电基底具有当量直径为30-80微米的贯穿孔道时，非对称浸润性电极可对电解产生的气泡产生定向引导的意外效果，即成为定向气体输运电极。气泡从所述定向气体输运电极的疏气面穿过所述导电基底的贯穿孔道，迁移至亲气面。本专利技术的电极具有两个有益效果：(1)避免电解产生的气泡在电极催化剂层的粘附，从而提高了电极的工作效率；(2)防止气泡在电解液中的随意扩散，可以定向收集气体。2、本专利技术首次发现，铱碳和铂碳在本专利技术的电极中作为催化剂使用，可以控制疏气侧的催化剂层的气泡接触角为90-110度，恰好可以应用在电解析氧或者电解析氢反应中，保证高效电解效率的同时可以定向引导气泡，具有广阔的应用前景。3、本专利技术解决了电解析气反应中气泡行为无法控制的情况，可以在特定环境如微重力条件、太空中定向引导并收集气体，可以用于电解水反应器中为太空人员供应氧气，作为太空供氧的更简单、经济的方案。4、本专利技术的电极还能应用于耗气反应中，可将所述定向气体输运电极漂浮在电解液上进行耗氧反应。此时所述定向气体输运电极能够抓取空气中的氧气作为反应物参与反应，不需要再向体系中曝氧气，应用范围广泛。5、本专利技术的定向气体输运电极的制备方法简单，将同一个导电基底的两面分别疏气和亲气处理得到疏气层和亲气层就可得到本专利技术的电极，疏气层为催化剂层，同时具有疏气和催化的两重效果。6、本专利技术的定向气体输运电极在垂直于多孔电极平面具有浸润性梯度。所述定向气体输运电极在垂直于多孔电极平面方向，从疏气层到亲气层，亲气性能逐渐提高，对气体具有从疏气层到亲气层方向的牵引力。当使用在电解析气反应时，进一步提高了本专利技术电极的定向引导气泡的效果。附图说明图1为实施例1制备的定向气体输运电极的扫描电镜图。图2为实施例1制备的定向气体输运电极两个面的气泡接触角。图3为实施例2相机记录的电极表面的气泡行为。图4为实施例2电化学工作站记录电流随时间的变化图。图5为实施例3相机记录的电极完全浸没在电解液中进行电解反应的三种情况。图6为实施例4定向气体输运电极固定在气液界面处和浸没在电解液中时的电极性能比较图。图7为四种不同的定向气体输运电极催化层的扫描电镜表征图及引导气泡的效果对比图。(a：铂碳b：铂颗粒c：铂纳米球d：铂纳米花)图8为对比例4测定的四种定向气体输运电极催化剂面的气泡接触角。图9为实施例5定向气体输运电极固定在气液界面处和浸没在电解液中时的电极性能比较图。图10为实施例5相机记录的电极完全浸没在电解液中进行电解反应的三种情况。图11为实施例1制备的定向气体输运电极不锈钢网网孔侧面的扫描电镜图，即浸润性梯度示意图。具体实施方式下面通过具体实施方式进一步说明本专利技术的内容。实施例1(1)选用孔径为37微米的不锈钢网作为电极的基底，将不锈钢网裁剪成1cm×3cm大小的尺寸。用盐酸依次对不锈钢网进行超声清洗以去除表面的杂质，60摄氏度干燥备用。(2)用高压喷枪将质量浓度为20％的聚四氟乙烯溶液对步骤(1)中得到的网材料的一面进行均匀喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定向气体输运电极，其特征在于，所述电极包括导电基底和所述导电基底两面负载的亲气层和催化剂层，所述催化剂层的气泡接触角为90-110度，所述导电基底具有当量直径为30-80微米的贯穿孔道。/n

【技术特征摘要】
1.一种定向气体输运电极，其特征在于，所述电极包括导电基底和所述导电基底两面负载的亲气层和催化剂层，所述催化剂层的气泡接触角为90-110度，所述导电基底具有当量直径为30-80微米的贯穿孔道。


2.根据权利要求1所述的定向气体输运电极，其特征在于，所述导电基底为不锈钢网，所述网孔当量直径为30-80微米；或者所述导电基底为多孔导电材料，所述多孔导电材料的孔径为30-80微米。


3.根据权利要求1所述的定向气体输运电极，其特征在于，所述催化剂层为铂碳层或铱碳层。


4.根据权利要求1所述的定向气体输运电极，其特征在于，所述亲气层为聚四氟乙烯层。


5.根据权利要求4所述的定向气体输运电极，其特征在于，所述定向气体输运电极中的聚四氟乙烯分布密度在垂直于多孔电极平面方向上具有梯度。


6.一种权...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗亮，盛思雨，孙晓明，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11