碱性水电解用复合隔膜电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种碱性水电解用复合隔膜电极及其制备方法和应用，所述复合隔膜电极包括依次相连的催化剂层A、皮层、指状多孔层、三维多孔层和催化剂层B；其中，所述三维多孔层中含有支撑体。本发明专利技术先通过采用皮层、指状多孔层、三维多孔层这种特殊的异质结构设计，得到具有超高泡点的碱性水电解用隔膜，而且该隔膜具有极低的面电阻、亲水性和超快的浸润性；然后将电解水催化剂与隔膜直接耦合在一起制备隔膜电极用于碱性水电解过程，能有效降低传统碱性水电解过程中催化剂层与隔膜分离所产生的界面电阻，从而有效提升电解水过程的电流密度。从而有效提升电解水过程的电流密度。从而有效提升电解水过程的电流密度。

【技术实现步骤摘要】
碱性水电解用复合隔膜电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及碱性水电解
，尤其涉及一种碱性水电解用复合隔膜电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着世界经济的不断发展和人口的增加，人类对能源的需求日益增加，同时环境保护也不容忽视，因此，人们在迫切寻找一种不依赖化学燃料的、储量丰富的、清洁的新能源体系。清洁型能源氢能作为未来重要的能源载体之一，具有广泛的应用前景。其中，碱性水电解具有技术相对成熟，操作简单，对设备腐蚀性小，制得的氢气纯度高等特点，是实现大规模生产氢气的重要手段。
[0003]将通上直流电的两个电极(阴极和阳极)浸入电解液中，水被分解并在阴极和阳极分别产生H2和O2，其中隔膜被置于阴极和阳极之间以避免H2和O2混合，这个过程就是电解水，这样的装置称为电解槽。电解液一般为25％
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30％的氢氧化钾或氢氧化钠溶液。
[0004]理想的碱性水电解用隔膜，应具备良好的离子透过性、机械强度、气密性、电气绝缘性以及适宜的电解液渗透性等性能。其中，离子透过性，直接影响所用隔膜的碱性水电解槽的电解效率。提高隔膜的离子透过性可以降低隔膜的面电阻，从而提升碱性水电解槽的电解效率。机械强度，要求隔膜具备较好的机械强度以便能够经受电解槽的电极与隔膜之间的摩擦。气密性，要求隔膜具备阻隔气体的性能，电解生成的气体无法透过隔膜，也就是说隔膜只允许离子透过。电气绝缘性，是指隔膜不能导电，需要是绝缘状态。但现有技术中几乎没有能兼顾上述各种性能的碱性水电解用隔膜。
[0005]另外，为提高制氢效率，实际生产中会在阴极和阳极分别设置催化剂，分布在隔膜的两侧，然而催化剂与隔膜之间并非紧密接触存在一定的孔隙，给离子传输增加了阻力，从而导致电解水过程电流密度降低，提速效果并不理想。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种碱性水电解用复合隔膜电极及其制备方法和应用。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种碱性水电解用复合隔膜电极，包括依次连接的催化剂层A、皮层、指状多孔层、三维多孔层和催化剂层B；其中，所述三维多孔层中含有支撑体。
[0008]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，所述催化剂层A和所述催化剂层B中，一个为NiFe
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LDH，另一个为Co2MnO4，其厚度均控制在5～10μm。
[0009]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，所述皮层、指状多孔层和三维多孔层的平均孔径分别为30～50nm、300～500nm、100～200nm。
[0010]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，所述指状多孔层的指状孔的宽度为2～10μm。
[0011]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，所述皮层、指状多孔层和三维多
孔层的厚度分别为1～5μm、200～250μm、100～150μm。
[0012]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，以质量份数计，所述皮层包含3～9份无机纳米颗粒、80～90份有机高分子聚合物和0.1～0.5份粘结剂。
[0013]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，所述指状多孔层和所述三维多孔层均包含40～60份无机纳米颗粒、40～60份有机高分子聚合物和0.1～0.5份粘结剂。
[0014]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，所述无机纳米颗粒为钛酸锶、钛酸钡中的一种或组合；尺寸为10～200nm。
[0015]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，所述有机高分子聚合物为聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮、壳聚糖中的一种或多种。
[0016]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，所述支撑体为PP网、PPS网、PP无纺布、PPS无纺布中的一种或多种。
[0017]根据本专利技术提供的碱性水电解用复合隔膜电极，所述支撑体的纤维直径为50～150μm，所述支撑体的孔径为100～400μm。
[0018]第二方面，本专利技术还提供上述碱性水电解用复合隔膜电极的制备方法，包括：
[0019]将无机纳米颗粒、有机高分子聚合物、粘结剂和溶剂混合，配制铸膜液；
[0020]将支撑体完全浸没在所述铸膜液中，将支撑体一侧的铸膜液刮平，制备出湿润状态的隔膜；将隔膜预蒸发，再将所述隔膜浸泡在水
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有机溶剂的混合溶液中，通过相转化过程，表面发生快速相转化，形成致密皮层结构，内部发生延迟相分离，从表层至内部逐步形成指状多孔层和三维多孔层，形成具有多孔结构的隔膜；
[0021]制备得到隔膜后，将催化剂与隔膜进行耦合。
[0022]根据本专利技术提供的制备方法，通过喷涂、离子溅射或电沉积将催化剂与隔膜进行耦合。
[0023]第三方面，本专利技术还提供一种碱性水电解装置，包括上述任一碱性水电解用复合隔膜电极。
[0024]本专利技术提供了一种碱性水电解用复合隔膜电极及其制备方法和应用，先通过采用皮层、指状多孔层、三维多孔层这种特殊的异质结构设计，得到具有超高泡点的碱性水电解用隔膜，而且该隔膜具有极低的面电阻、亲水性和超快的浸润性；然后将电解水催化剂与隔膜直接耦合在一起制备隔膜电极用于碱性水电解过程，能有效降低传统碱性水电解过程中催化剂层与隔膜分离所产生的电阻，从而有效提升电解水过程的电流密度。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例中所制备隔膜的结构示意图。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示
例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本专利技术实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0028]第一方面，本专利技术提供一种碱性水电解用复合隔膜电极，包括依次相连的催化剂层A、皮层、指状多孔层、三维多孔层和催化剂层B；其中，所述三维多孔层中含有支撑体。
[0029]本专利技术采用皮层、指状多孔层、三维多孔层这种特殊的异质结构设计，不仅能得到具有超高泡点的碱性水电解用隔膜，而且该隔膜具有极低的面电阻、亲水性和超快的浸润性。其中三维多孔层中设置支撑体能够有效增强碱性水电解用隔膜的机械强度。同时，本专利技术将电解水催化剂与隔膜直接耦合在一起，可有效降低传统碱性水电解过程中催化剂层与隔膜分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碱性水电解用复合隔膜电极，其特征在于，包括依次连接的催化剂层A、皮层、指状多孔层、三维多孔层和催化剂层B；其中，所述三维多孔层中含有支撑体。2.根据权利要求1所述的碱性水电解用复合隔膜电极，其特征在于，所述催化剂层A和所述催化剂层B中，一个为NiFe
‑
LDH，另一个为Co2MnO4，其厚度均控制在5～10μm。3.根据权利要求1所述的碱性水电解用复合隔膜电极，其特征在于，所述皮层、指状多孔层和三维多孔层的平均孔径分别为30～50nm、300～500nm、100～200nm；和/或，所述指状多孔层的指状孔的宽度为2～10μm。4.根据权利要求3所述的碱性水电解用复合隔膜电极，其特征在于，所述皮层、指状多孔层和三维多孔层的厚度分别为1～5μm、200～250μm、100～150μm。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的碱性水电解用复合隔膜电极，其特征在于，以质量份数计，所述皮层包含3～9份无机纳米颗粒、80～90份有机高分子聚合物和0.1～0.5份粘结剂；和/或，所述指状多孔层和所述三维多孔层均包含40～60份无机纳米颗粒、40～60份有机高分子聚合物和0.1～0.5份粘结剂。6.根据权利要求5所述的碱性水电解用复合隔膜电极，其特征在于，所述无机纳米颗粒为钛酸锶、钛酸钡中的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海辉，丁力，廖益文，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：