一种膜电极催化层喷墨打印墨水及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种膜电极催化层喷墨打印墨水及其制备方法与应用，属于燃料电池和水电解领域。所述喷墨打印墨水由催化剂，溶剂，粘合剂和树脂溶液组成，催化剂、溶剂、粘合剂、树脂溶液中的树脂的质量比为1:30

【技术实现步骤摘要】
一种膜电极催化层喷墨打印墨水及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于燃料电池和水电解领域，具体涉及一种膜电极催化层喷墨打印墨水及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]膜电极(MEA)是燃料电池和水电解槽的核心部件，而MEA的制备工艺在很大程度上决定了燃料电池和水电解的性能。常规制备MEA方法的工艺较多，比如传统喷涂法、卷对卷工艺、涂布法等，但常规方法都有一些不足，工序繁杂，制备效率较低，制备出的催化层不均匀，催化剂利用率较低，催化剂载量和碳黑微观形貌不易控制等，造成膜电极成本高昂，性能不稳定等问题。
[0003]喷墨打印技术作为目前较为热门的制备技术之一，具有适用范围广，操作简单，低成本，可实现快速批量制备、形貌可控等诸多优点。目前，喷墨打印技术的应用范围已经从它的传统领域有了很大程度的拓展和更为广泛的用途，打印材料也越加丰富，例如打印金属、氧化物膜、碳纳米管、陶瓷、半导体材料、气体感应膜、晶体管、聚合物分子膜、有机小颗粒、蛋白质、细胞器官、神经元、细菌等等。在打印膜电极催化剂墨水方面也有着巨大的发展潜力。将喷墨打印技术引入膜电极制备领域具有诸多优势：首先，喷墨打印技术可以很好的控制催化层内贵金属催化剂的含量和催化层厚度，便于制备低铂、超低铂载量以及超薄催化层，且与其它制备技术相比，催化层的平整度更高；其次，喷墨打印技术可以实现多种材料同步高精度打印，通过此技术可实现催化层内气体通道、排水通道等功能结构的建立，从而提升气体传质，减缓水淹现象的产生，降低贵金属催化剂的用量，制备功能有序化电极；再次，喷墨打印技术在膜电极大规模量产方面具有十分广阔的应用前景，可实现膜电极快速、大量的连续制备，并同步完成膜电极密封步骤，简化工艺流程，提高生产效率。
[0004]喷墨打印过程本身很方便快速，但是要成功实现喷墨打印却富有挑战性，挑战在于得到高分散性和高稳定性的墨水，分散性不好，容易堵塞喷头；稳定性不好，在喷涂过程中会出现沉降，导致打印出来的催化剂浓度越来越低。除此之外，喷墨打印技术用于燃料电池，要保证形成催化层的墨水导电性、粘合稳定性等都要符合要求才能得到电化学性能优良的膜电极。目前，燃料电池常见的喷墨打印墨水由催化剂颗粒、分散剂和树脂溶液组成，得到的墨水为悬浊液，是不稳定的分散体系。现有的喷墨打印墨水为提高墨水的分散性和稳定性，会加入螯合剂或者表面活性剂，虽然能够提高墨水的分散性和稳定性，但是螯合剂和表面活性剂的加入，会对后续制备的膜电极，乃至电池的性能造成不利影响。

技术实现思路

[0005]基于上述的背景，本专利技术在不加入任何对电极性能有影响的组分下，制备了高稳定性的燃料电池和水电解用喷墨打印墨水，一步加入所有物料、制备工艺简单，墨水在室温下长期静置不出现沉降现象，可在墨盒中连续打印，未出现喷头堵塞、打印不流畅等问题。将本专利技术所述墨水通过喷墨打印于质子交换膜上制备所得的膜电极，经过干燥后，呈现良
好的电化学性能，优于传统墨水。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种膜电极喷墨打印墨水，所述墨水由催化剂、溶剂、粘合剂和树脂溶液组成；
[0008]所述墨水中，催化剂、溶剂、粘合剂、树脂溶液中树脂的质量比为1:30
‑
70:5
‑
50:0.1
‑
4；
[0009]所述溶剂为异丙醇、正丙醇、乙醇或者水中的一种或两种以上。
[0010]所述粘合剂包括乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、丙三醇中的一种或两种以上。
[0011]进一步地，上述技术方案中，所述催化剂为碳载体催化剂、铱基催化剂、铂基催化剂、钌基催化剂或者钯基催化剂。
[0012]进一步地，上述技术方案中，所述树脂包括全氟磺酸树脂、PTFE乳液、PVDF乳液或者侧链带有季铵类、咪唑、苯并咪唑、吡啶、哌啶、胍基类或季磷类离子官能团的树脂。
[0013]第二方面，本专利技术提供了一种膜电极喷墨打印墨水的制备方法，包括如下步骤：
[0014]按照上述的质量比将溶剂、粘合剂、树脂溶液混合均匀得到混合溶液；
[0015]将催化剂与所述混合溶液相混合之后，机械搅拌，超声，得到高稳定性、高分散性的膜电极催化层喷墨打印墨水。
[0016]进一步地，上述技术方案中，所述搅拌的时间为0.5
‑
48h；所述超声的时间为0.5
‑
48h。
[0017]所述高稳定性、高分散性的膜电极催化层喷墨打印墨水在室温自然光下长时间静置无沉降现象产生。
[0018]第三方面，本专利技术提供了一种膜电极，所述膜电极由上述喷墨打印墨水通过喷墨打印法制备。
[0019]第四方面，本专利技术提供了一种膜电极的制备方法，包括如下步骤：将上述的喷墨打印墨水喷墨打印于质子交换膜、阴离子交换膜或者基底上转印，干燥处理后，得到膜电极。
[0020]进一步地，上述技术方案中，所述基底包括聚四氟乙烯基底，聚乙烯基底。
[0021]第五方面，本专利技术提供了一种膜电极的应用，将所述膜电极应用于燃料电池或水电解领域电化学装置。
[0022]有益效果
[0023]1、本专利技术所提供的膜电极催化层喷墨打印墨水的配方，不加入对催化剂活性有影响的组分，也无需任何后处理步骤，工艺简单。
[0024]2、本专利技术所提供的膜电极催化层喷墨打印墨水配方中加入粘合剂，粘合剂选择乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、丙三醇中的一种或多种，溶剂选择极性较大的异丙醇、正丙醇、乙醇或者水中的一种或多种，范德华力大，能够使得粘合剂在水溶液中达到更好的分散效果，并且提升墨水的稳定性，其中水的极性最大，性能更好，可以起到抗沉降的作用。制备的墨水，粘度范围为1
‑
50mPa
·
s，表面张力为50
‑
150mN/m，适用于多种喷墨打印喷头及喷墨打印模式。
[0025]3、本专利技术所提供喷墨打印墨水制备工艺简单，一次性将所有溶液混合后加入催化剂，避免了多次加料的繁琐步骤，且避免了多次加料导致的局部溶液分布不均，从而引起的团聚问题，有利于得到高分散性、稳定性的催化剂墨水，在室温下长时间静置无沉降现象产
生，而传统喷墨打印墨水静置5h以上即出现沉降。
[0026]4、通过本专利技术所提供的膜电极催化层喷墨打印墨水制备的膜电极性能良好，优于传统墨水喷墨打印所制备的膜电极。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例1的膜电极催化层喷墨打印墨水在室温下静置三个月后的墨水状态图。
[0028]图2为本专利技术使用的喷墨打印机工作过程图片。
[0029]图3为本专利技术实施例1制备的墨水分别打印一层(A)和三层(B)的催化层实物图。
[0030]图4为本专利技术实施例1的喷墨打印制备的催化层(A)与传统喷涂工艺(B)制备的催化层的扫描电镜对比图。
[0031]图5为本专利技术实施例1的膜电极催化层喷墨打印墨水与喷涂工艺制备的膜电极的极化曲线对比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极喷墨打印墨水，其特征在于，所述墨水由催化剂、溶剂、粘合剂和树脂溶液组成；所述墨水中，催化剂、溶剂、粘合剂、树脂溶液中树脂的质量比为1:30
‑
70:5
‑
50:0.1
‑
4；所述溶剂为异丙醇、正丙醇、乙醇或者水中的一种或两种以上；所述粘合剂包括乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、丙三醇中的一种或两种以上。2.根据权利要求1所述的膜电极喷墨打印墨水，其特征在于，所述催化剂为碳载体催化剂、铱基催化剂、铂基催化剂、钌基催化剂或者钯基催化剂。3.根据权利要求1所述的膜电极喷墨打印墨水，其特征在于，所述树脂包括全氟磺酸树脂、PTFE乳液、PVDF乳液或者侧链带有季铵类、咪唑、苯并咪唑、吡啶、哌啶、胍基类或季磷类离子官能团的树脂。4.一种权利要求1
‑
3中任一项所述的膜电极喷...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞红梅，周亚文，孙昕野，邵志刚，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：