一种水电解装置的制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水电解装置的制备方法，首先阴极催化剂和第一离子聚合物分散在溶剂中，制得阴极墨水；然后将阴极墨水喷涂在碳纸表面，加热固化后，得到阴极；之后将阳极催化剂涂覆在基于金属基自固化墨水直写成型技术制备的气体扩散层上，得到阳极，然后在阳极的催化层上负载第二离子聚合物；之后将阴极、阳极和离子传导膜置于碱性溶液中进行离子交换，然后置于超纯水中洗涤去除碱性溶液中的阳离子；最后将阴极、阳极和离子传导膜进行组装，得到水电解装置。本发明专利技术采用3D打印技术制备水电解的气体扩散层来组装水电解装置，扩散层具有可控孔径的直通孔，能够气泡快速排出，减少气液传输阻力，调控器件性能，使得水电解装置性能处于优异水平。处于优异水平。处于优异水平。

【技术实现步骤摘要】
一种水电解装置的制备方法


[0001]本专利技术属于水电解
，涉及一种水电解装置的制备技术，具体涉及一种水电解装置的制备方法。

技术介绍

[0002]在保护我们的环境的同时为未来创造一个全球范围的可持续能源系统是当今人类面临的最关键的挑战之一。人们对能源供应，特别是与使用化石燃料有关的气候变化，提出了重大关切。一个重要的方向是使我们的能源多样化，通过转向太阳能、风能和水力发电等可再生能源，减少我们对化石燃料的依赖。在双碳目标下，氢能在以可再生能源为主导的能源体系中发挥着至关重要的作用，传统的化石燃料制氢的方法不仅能耗较高还会带来二氧化碳的排放。电解水制氢不仅操作简单且无有害副产物，被认为是未来发展潜力的制氢方法。
[0003]经过几十年的发展，水电解领域已经基本形成了一个完整的体系。相较于质子膜水电解而言，碱性聚电解质水电解可以使用价格低廉的非贵金属催化剂而受到大家青睐。对于碱性聚电解质水电解，为了降低电解系统成本，提高电解器性能和寿命，有以下两种途径：一种是从催化剂本征活性角度出发，通过改变催化剂结构、载体以及制备合金等方式，提高催化剂活性和稳定性；然而，这种方式很难全面改善碱性聚电解质水电解器的性能，因为电化学反应过程还受到三相界面以及电子、离子、气体和水的传输通道等诸多因素的影响；另一种是从膜电极的角度出发，通过探索出新的膜电极制备方法和制备工艺来改善碱性聚电解质水电解器性能，这种方式能从整体上协调反应进程，进而成为研究的重点。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了能提高碱性聚电解质水电解器件性能，从膜电极和催化层结构层面出发，在阴阳极分别采用喷涂和刮涂的方式将催化剂涂覆到气体扩散层表面，在阳极再采用浇铸法使得离子聚合物与催化层相结合，最后将制备好的阴、阳极与膜组装。通过上述方式组装的碱性聚电解质水电解器件，具有接触良好且相对稳定的三相界面(催化剂，离子聚合物、膜)，可以充分发挥催化剂的活性，从而获得优异的水电解性能。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种水电解装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]M1、将阴极催化剂和第一离子聚合物分散在溶剂中，制得阴极墨水；
[0008]M2、将阴极墨水喷涂在碳纸表面，加热固化后，得到阴极；
[0009]M3、将阳极催化剂涂覆在基于金属基自固化墨水直写成型技术制备的气体扩散层上，得到阳极，然后在阳极的催化层上负载第二离子聚合物；
[0010]M4、将阴极、阳极和离子传导膜置于碱性溶液中进行离子交换，然后置于超纯水中洗涤去除碱性溶液中的阳离子；
[0011]M5、将步骤M4得到的阴极、阳极和离子传导膜进行组装，得到水电解装置。
[0012]优选的，步骤M1中，所述阴极催化剂为Pt、Ni、Mo、Co、Fe中的任意一种或几种组成的合金。
[0013]优选的，步骤M1中，所述第一离子聚合物为阴离子交换树脂，为季铵化聚砜、季胺化聚芳基哌啶共聚物和烷基嵌段型聚芳基哌啶共聚物中的任意一种或者几种。
[0014]优选的，步骤M1中，所述溶剂为异丙醇、乙醇、水中任意一种或几种混合物。
[0015]优选的，步骤M1中，所述阴极催化剂和第一离子聚合物的质量比为1
‑
10：1。
[0016]优选的，步骤M2中，加热固化的方式为：在喷涂前，先将碳纸固定在加热板上，加热板的温度设定为70
‑
90℃，固化后，固化后，阴极催化剂的载量为0.1
‑
500mg/cm2。
[0017]优选的，步骤M3中，所述阳极催化剂为Pt、Ru、Ir、Ni、Mo、Co、Fe、Mn中的任意一种或几种组成的合金。
[0018]优选的，步骤M3中，所述阳极催化剂的涂覆方式为旋涂、刷涂或者刮涂。
[0019]优选的，步骤M3中，所述气体扩散层上阳极催化剂的载量为0.1
‑
500mg/cm2。
[0020]优选的，步骤M3中，所述第二离子聚合物为阴离子交换树脂，为季铵化聚砜，季胺化聚芳基哌啶共聚物及烷基嵌段型聚芳基哌啶共聚物中的任意一种或者几种。
[0021]优选的，步骤M3中，所述阳极催化剂和第二离子聚合物的质量比为1
‑
10：1。
[0022]优选的，步骤M3中，负载方法如下：
[0023]将第二离子聚合物配置成溶液，置于模具的凹槽中，然后将涂覆有NiFe催化剂的气体扩散层浸泡倒扣在模具的凹槽中，之后再真空干燥箱中烘干，分离取出后得到负载第二离子聚合物的阳极，烘干温度为50
‑
70℃，时间为1
‑
3小时。
[0024]优选的，步骤M4中，所述离子传导膜为阴离子交换膜，为季铵化聚砜膜，季胺化聚芳基哌啶共聚膜及烷基嵌段型聚芳基哌啶共聚物膜中的任意一种或者几种。
[0025]优选的，步骤M4中，所述气体扩散层制备方法如下：
[0026]S1、采用金属基自固化墨水作为原料，利用墨水直写成型技术在临时基板上打印多层结构；
[0027]S2、将多层结构和临时基板一起先在还原性气体氛围下热处理；之后在惰性气体氛围下高温处理，并剥离基板后得到用于水电解气液传输的气体扩散层。
[0028]优选的，所述多层结构中每层结构均为平行的条状线阵列，其中至少两层的条状线阵列方向不相同，且相邻两层条状线阵列中心间距相同或不相同。
[0029]优选的，所述多层结构中，相邻两层的条状线阵列相互垂直。
[0030]优选的，所述条状线阵列中每条宽度为2
‑
1000μm，相邻两条中心间距为2
‑
3000μm。
[0031]优选的，所述条状线阵列中每条宽度为30
‑
800μm，相邻两条中心间距为30
‑
2500μm。
[0032]优选的，所述条状线阵列中每条宽度为50
‑
600μm，相邻两条中心间距为50
‑
2000μm。
[0033]优选的，所述条状线阵列中每条宽度为100
‑
500μm，相邻两条中心间距为100
‑
1500μm。
[0034]优选的，所述多层结构有2
‑
100层。
[0035]优选的，所述多层结构有2
‑
50层。
[0036]优选的，所述多层结构有2
‑
20层。
[0037]优选的，步骤S2中，所述原性气体为氢气或含氢气混合气，处理过程为，先在300
‑
400℃下氢气或含氢气混合气氛围中热处理1
‑
4小时，之后升温至400
‑
900℃热处理1
‑
4小时。
[0038]优选的，步骤S2中，所述惰惰性气体为氩气或氮气，具体过程为：在氩气或氮气氛围中在特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水电解装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：M1、将阴极催化剂和第一离子聚合物分散在溶剂中，制得阴极墨水；M2、将阴极墨水喷涂在碳纸表面，加热固化后，得到阴极；M3、将阳极催化剂涂覆在基于金属基自固化墨水直写成型技术制备的气体扩散层上，得到阳极，然后在阳极的催化层上负载第二离子聚合物；M4、将阴极、阳极和离子传导膜置于碱性溶液中进行离子交换，然后置于超纯水中洗涤去除碱性溶液中的阳离子；M5、将步骤M4得到的阴极、阳极和离子传导膜进行组装，得到水电解装置。2.根据权利要求1所述水电解装置的制备方法，其特征在于：步骤M1中，所述阴极催化剂为Pt、Ni、Mo、Co、Fe中的任意一种或几种组成的合金。3.根据权利要求1所述水电解装置的制备方法，其特征在于：步骤M1中的第一离子聚合物和步骤M3中的第二离子聚合物均为阴离子交换树脂，分别为季铵化聚砜、季胺化聚芳基哌啶共聚物和烷基嵌段型聚芳基哌啶共聚物中的任意一种或者几种。4.根据权利要求1所述水电解装置的制备方法，其特征在于：步骤M1中，所述溶剂为异丙醇、乙醇、水中任意一种或几种混合物。5.根据权利要求1所述水电解装置的制备方法，其特征在于：步骤M1中，所述阴极催化剂和第一离子聚合物的质量比为1
‑
10：1。6.根据权利要求1所述水电解装置的制备方法，其特征在于：步骤M2中，加热固化的方式为：在喷涂前，先将碳纸固定在加热板上，加热板的温度设定为70
‑
90℃，固化后，阴极催化剂的载量为0.1
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500mg/cm2。7.根据权利要求1所述水电解装置的制备方法，其特征在于：步骤M3中，所述阳极催化剂为Pt、Ru、Ir、Ni、Mo、Co、Fe、Mn...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄林，肖丽，黄碧柔，王功伟，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：