一种膜电极集合体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术揭示了一种膜电极集合体及其制备方法和应用。所述膜电极集合体的制备方法包括如下步骤：提供离子交换膜，所述离子交换膜的至少一侧表面具有阵列结构，所述阵列结构包括阵列分布的复数个突起部；至少在所述阵列结构上依次负载催化剂、电子导体。本发明专利技术提供的膜电极集合体及其制备方法和应用，通过磁控溅射负载催化剂，喷涂电子导体构筑三相界面制备膜电极集合体的方法，能够在催化剂层内部大大增加三相界面(电子、质子、传质)，形成反应物，质子，电子快速传递的通道，有利于降低催化剂载量，提高催化剂利用率，提高性能与稳定性。提高性能与稳定性。提高性能与稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种膜电极集合体及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于新能源
，具体涉及一种膜电极集合体及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电解池和燃料电池作为一种清洁能源制备与应用的化学能与电能转换装置，对于缓解能源危机，减少温室气体排放具有重要意义。两者在结构上具有诸多相似之处。
[0003]对于燃料电池，其作为一种具有高能量密度，快速启动，高转换效率，零排放等诸多优点的电源设备，有望成为未来供能设备的主流。然而燃料电池的高昂造价，尤其是其贵金属催化剂的使用使得燃料电池迟迟未能大范围的商业化。因此，降低贵金属催化剂的用量，提高催化剂的利用率，同时保证燃料电池的性能和稳定性对于燃料电池的商业化具有重要的意义。
[0004]贵金属催化剂位于膜电极集合体的催化层中，催化层是燃料电池将化学能转化为电能的核心部位。催化层一般由分散在高比表面积碳上的贵金属催化剂，疏水剂(聚四氟乙烯)，质子导体(一般是全氟磺酸树脂)组成。优异的催化层需要满足反应物，质子，电子三者的良好传递。然而，为了实现较高的质子传导，构筑有效的质子传递网络，部分催化剂不可避免的将会被质子导体覆盖，难以实现催化作用，使得催化剂的利用率降低。因此，如何同时保证质子，电子，和传质的快速进行是提高燃料电池性能，降低燃料电池催化剂载量需要考虑的重要问题。
[0005]基于微纳结构的薄层催化层被证明有望解决这一难题。有部分文献通过纳米压印，电子束刻蚀等手段制备了含有阵列结构的离子交换膜，同时阵列的形状，长径比，密度均可以调控。阵列结构离子交换膜可以增加三相界面(传质，电子，质子)，减少质子导体对催化剂的覆盖，同时构筑快速的质子传递通道，有利于电池性能的提升。
[0006]但是，这种阵列结构的离子交换膜用于燃料电池中，电池的性能并没有大幅度的提高，且没有达到一个较高的水平。主要原因是此类阵列结构中催化剂的负载往往是将碳载催化剂(Pt/C)直接进行负载，催化剂大部分集中在阵列的顶端，难以进入阵列的内部实现阵列与催化剂的良好接触，同时催化剂的内部也并没有真正形成有效的质子传递网络。这种催化剂的负载方式难以真正发挥阵列结构离子交换膜的作用，进而达到降低催化剂载量，提高催化剂利用率，提高燃料电池性能的目标。因此，阵列结构离子交换膜上催化剂的有效负载，真正传质，电子质子快速传递通道的构筑有待改善。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的在于提供一种膜电极集合体及其制备方法和应用，以克服现有技术中存在的不足。
[0008]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0009]本专利技术实施例提供了一种膜电极集合体的制备方法，其包括如下步骤：
[0010]提供离子交换膜，所述离子交换膜的至少一侧表面具有阵列结构，所述阵列结构
包括阵列分布的复数个微纳米突起部；
[0011]至少在所述阵列结构上依次负载催化剂、电子导体。
[0012]进一步地，所述的膜电极集合体的制备方法，包括：在离子交换膜的表面直接生长形成所述阵列结构或至少通过转印、纳米压印、电子束刻蚀中的任意一种方式在离子交换膜表面加工形成所述阵列结构。
[0013]进一步地，所述的膜电极集合体的制备方法，包括：至少通过磁控溅射方式在所述离子交换膜具有阵列结构的表面负载催化剂；
[0014]和/或，至少通过喷涂方式在所述离子交换膜具有阵列结构的表面负载电子导体。
[0015]进一步地，所述的膜电极集合体的制备方法，包括：将粉末状的电子导体或电子导体的分散液喷涂至所述离子交换膜具有阵列结构的表面，从而至少在所述阵列结构表面和/或内部负载电子导体。
[0016]进一步地，所述的膜电极集合体的制备方法，还包括：将负载有催化剂和电子导体的离子交换膜与气体扩散层复合，使其中一个负载有催化剂和电子导体的离子交换膜被置于两个气体扩散层之间；优选的，所述气体扩散层包括碳纸电极。
[0017]更进一步地，所述的膜电极集合体的制备方法，还包括：在其中一个气体扩散层上负载催化剂，并使该负载有催化剂的气体扩散层背离离子交换膜负载有催化剂和电子导体的一侧表面。
[0018]本专利技术实施例还提供了一种由上述方法制备的膜电极集合体。
[0019]本专利技术实施例还提供了一种上述的膜电极集合体于制备电化学装置中的应用。
[0020]相应的，本专利技术实施例提供了一种燃料电池，包含上述的膜电极集合体。
[0021]本专利技术实施例还提供了一种电解池，包含上述的膜电极集合体。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0023](1)本专利技术膜电极集合体的制备方法，通过磁控溅射负载催化剂，喷涂电子导体构筑三相界面制备膜电极集合体，能够在催化剂层内部大大增加三相界面(电子、质子、传质)，形成反应物，质子，电子快速传递的通道，有利于降低催化剂载量，提高催化剂利用率，提高性能与稳定性，并可大规模制备，有利于燃料电池，电解池等电化学装置的商用化。
[0024](2)本专利技术膜电极集合体的制备方法，其中，通过采用磁控溅射能够实现催化剂在阵列结构离子交换膜上的负载，磁控溅射能够保证催化剂均匀负载到阵列膜上，同时可以对催化剂的种类，载量，催化剂的粒径，催化剂的负载位置进行精确的调控，并实现质子的高速传递和催化剂的高效利用。
[0025](3)本专利技术膜电极集合体的制备方法，其中，通过喷涂导电材料实现电子导体的负载，实现阵列内部电子传递网络的有效构筑，可大大增加三相界面(电子、质子、传质)；同时电子导体的种类，尺寸，负载量，负载位置也可调，可控。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1是本申请实施例1中膜电极集合体的制备方法的流程图。
[0028]图2a是本申请一实施方式中阵列膜负载Pt纳米颗粒的SEM图片，图2b是本申请一实施方式中阵列膜负载Pt纳米颗粒的EDX谱图。
[0029]图3是本申请一实施方式中阵列膜负载Pt纳米颗粒和石墨烯的SEM图片。
[0030]图4是本申请实施例1中膜电极集合体用于质子交换膜燃料电池的极化曲线。
[0031]图5是本申请实施例1中膜电极集合体用于质子交换膜燃料电池的稳定性测试图。
[0032]图6是本申请实施例2中膜电极集合体的制备方法的流程图。
[0033]图7是本申请实施例2中膜电极集合体用于质子交换膜燃料电池的极化曲线。
[0034]图8是本申请实施例2中膜电极集合体用于质子交换膜燃料电池的稳定性测试图。
[0035]图9是本申请对照例1中的质子交换膜的SEM图。
[0036]图10是本申请对照例1中质子交换膜燃料电池的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极集合体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供离子交换膜，所述离子交换膜的至少一侧表面具有阵列结构，所述阵列结构包括阵列分布的复数个微纳米突起部；至少在所述阵列结构上依次负载催化剂、电子导体。2.根据权利要求1所述的膜电极集合体的制备方法，其特征在于包括：在离子交换膜的表面直接生长形成所述阵列结构或至少通过转印、纳米压印、电子束刻蚀中的任意一种方式在离子交换膜表面加工形成所述阵列结构；和/或，所述突起部的形状包括锥形、矩形、柱形、Y型、树枝形中的任意一种或多种的组合；优选的，所述突起部为锥形，所述锥形的高度为0.5
‑
2.5μm，锥的上直径为100
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400nm，锥的下直径为400
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700nm，锥与锥之间的间距为450
‑
800nm。3.根据权利要求1所述的膜电极集合体的制备方法，其特征在于包括：至少通过磁控溅射方式在所述离子交换膜具有阵列结构的表面负载催化剂；和/或，至少通过喷涂方式在所述离子交换膜具有阵列结构的表面负载电子导体；和/或，所述磁控溅射方式采用的靶材包括单金属靶、合金靶或化合物靶中的任意一种或多种的组合，所述单金属靶包括Pt或Ru，所述合金靶包括PtCo、PtNi或PtRu，所述化合物靶包括MoS2或IrO2；和/或，所述磁控溅射...

【专利技术属性】
技术研发人员：周小春，宁凡迪，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：