碱性电解水制氢用的膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及电解水技术领域，具体涉及一种碱性电解水制氢用的膜电极及其制备方法。该膜电极包括多孔隔膜和分别负载于所述多孔隔膜两侧的析氢催化剂和析氧催化剂；所述多孔隔膜选自聚砜、聚醚砜、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚苯硫醚多孔膜中的一种。与传统分离式的隔膜

【技术实现步骤摘要】
碱性电解水制氢用的膜电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电解水
，具体涉及一种碱性电解水制氢用的膜电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着全球对环保脱碳的日益关注以及可再生能源发电技术的进步，利用风电、光电和水电等可再生能源制氢是实现绿色氢能经济的重要途径。氢能可广泛应用于甲醇生产、油品加氢、合成氨、金属冶炼、供热及车用运输等。可再生能源总量增速显著，将成为主要能源之一，其发电成本随着技术的成熟和规模的扩大在不断下降，可再生能源制氢有望具备市场竞争力。另外，可再生能源制氢可消纳弃风、弃光和弃水电力，获得低成本氢气。
[0003]电解水制氢技术包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、阴离子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢。其中，碱性电解水制氢技术最为成熟，已广泛应用于火电厂和精密电子产品生产等领域。该技术具有设备成本低、寿命长和稳健的优点，但仍存在电流密度低和电解能耗高的缺点。因此，降低电解水的过电势，提高电解能效和电流密度是解决的关键问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的碱性电解水制氢电流密度低，电解能耗高的缺陷，提供一种电解水制氢用的膜电极，该膜电极能够降低电解水的过电位，提高电解水的能量效率和电流密度。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种碱性电解水制氢用的膜电极，该膜电极包括多孔隔膜和分别负载于所述多孔隔膜两侧的析氢催化剂和析氧催化剂；所述多孔隔膜选自聚砜、聚醚砜、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚苯硫醚多孔膜中的一种。
[0006]本专利技术第二方面提供一种所述膜电极的制备方法，该方法包括：析氢催化剂和析氧催化剂的通过物理气相沉积法分别负载于多孔隔膜两侧。
[0007]与传统分离式的隔膜
‑
Ni网电极组合相比，本专利技术所述的膜电极采用更薄的高分子多孔隔膜，降低电解水的过电势，同时催化剂与隔膜形成牢固的粘结力，不易脱落，有助于提高膜电极电解水性能的稳定性；本专利技术通过磁控溅射法将析氢和析氧催化剂镀在高分子多孔隔膜两侧，催化剂分散度高，进一步降低电解水的过电位，提高膜电极电解水性能的稳定性。
附图说明
[0008]图1是本专利技术实施例4制备的膜电极的SEM图；
[0009]图2是对比例1制备的阴极Ni网电极的SEM图。
具体实施方式
[0010]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0011]本专利技术提供一种碱性电解水制氢用的膜电极，该膜电极包括多孔隔膜和分别负载于所述多孔隔膜两侧的析氢催化剂和析氧催化剂；所述多孔隔膜选自聚砜、聚醚砜、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚苯硫醚多孔膜中的一种。本专利技术所述的膜电极采用更薄的高分子多孔隔膜，降低电解水的过电势，同时催化剂与隔膜形成牢固的粘结力，不易脱落，有助于提高膜电极电解水性能的稳定性。
[0012]根据本专利技术一种特别优选的实施方式，所述多孔隔膜孔隙率为30
‑
80％，厚度为0.05
‑
0.7mm；优选地，所述多孔隔膜孔隙率为50
‑
70％，厚度为0.1
‑
0.3mm；前述多孔隔膜膜电阻低，膜电导率高，能够降低碱性电解水的过电势。
[0013]根据本专利技术的一种优选实施方式，所述多孔隔膜还包括负载于所述多孔隔膜两侧的耐碱氧化物和/或氢氧化物涂层；负载耐碱氧化物涂层和/或氢氧化物涂层的多孔隔膜，改进隔膜的亲水性，进一步降低膜电极的电阻，提高膜电极电导率，有利于降低碱性电解水的过电势。
[0014]根据本专利技术的一种优选实施方式，所述耐碱氧化物和/或氢氧化物的金属选自IIA族、ⅣA族、IIB族、ⅣB族、VB族、
Ⅵ
B族、
Ⅶ
B族、
Ⅷ
族和稀土元素中的一种或多种，优选地，所述耐碱氧化物和/或氢氧化物的金属选自锆、钛、锰、锌和铈中的一种或多种；前述金属的耐碱氧化物和/或氢氧化物有利于进一步降低膜电极的电阻，提高膜电极电导率，有利于降低碱性电解水的过电势。
[0015]根据本专利技术的一种优选实施方式，所述耐碱氧化物和/或氢氧化物涂层厚度为0.05
‑
10um；优选为1
‑
5um；在该范围内的耐碱氧化物和/或氢氧化物涂层厚度，使所述膜电极具有膜电阻低的优点。
[0016]耐碱氧化物和/或氢氧化物用量为0.03
‑
12mg/cm2；优选为3
‑
10mg/cm2。
[0017]根据本专利技术的一种优选实施方式，耐碱氧化物和/或氢氧化物用量为0.03
‑
12mg/cm2；优选为3
‑
10mg/cm2；在该范围内的耐碱氧化物和/或氢氧化物用量，使所述膜电极具有膜电阻低的优点。
[0018]根据本专利技术，本专利技术对所述耐碱氧化物和/或氢氧化物涂层的负载方式没有特别的限定，优选地，所述耐碱氧化物或氢氧化物涂层通过涂布法或物理气相沉积法负载于所述多孔隔膜两侧。
[0019]根据本专利技术的一种优选实施方式，所述涂布法可以为自直接涂布法或转印涂布在多孔隔膜两侧涂布耐碱氧化物或氢氧化物涂层。优选地，涂布条件步骤包括制浆、涂布和转印步骤。
[0020]根据本专利技术的一种优选实施方式，所述物理气相沉积法可选自真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜和分子束外延或磁控溅射法中的一种。
[0021]根据本专利技术，优选通过磁控溅射法将耐碱氧化物涂层负载于所述多孔隔膜两侧，优选地，该方法包括以下步骤：
[0022]将耐碱氧化物或氢氧化物制备成第一靶材，在真空条件下充入氩气，并在高压下使氩气进行辉光放电，形成氩离子，氩离子在电场力的作用下加速轰击靶材使第一靶材溅射出来，按照负载比例将第一靶材沉积到多孔隔膜上。使用磁控溅射法将耐碱氧化物涂层负载于所述多孔隔膜两侧有利于进一步降低膜电极的电阻，提高膜电极电导率，有利于降低碱性电解水的过电势。
[0023]根据本专利技术的一种优选实施方式，所述析氢催化剂的负载量为1
‑
30mg/cm2；优选为10
‑
20mg/cm2；该范围内的析氢催化剂负载量有利于进一步降低碱性电解水的过电势。
[0024]根据本专利技术的一种优选实施方式，所述析氧催化剂的负载量为1
‑
30mg/cm2；优选为8
‑
15mg/cm2；该范围内的析氧催化剂负载量有利于进一步降低碱性电解水的过电势。
[0025]根据本专利技术，所述析氢催化剂为本领域常规析氢催化剂，可选地，所述析氢催化剂包括镍基金属，优选地，所述析氢催化剂包括镍金属。
[0026]根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碱性电解水制氢用的膜电极，其特征在于，该膜电极包括多孔隔膜和分别负载于所述多孔隔膜两侧的析氢催化剂和析氧催化剂；所述多孔隔膜选自聚砜、聚醚砜、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚苯硫醚多孔膜中的一种。2.根据权利要求1所述的膜电极，其中，所述多孔隔膜孔隙率为30
‑
80％，厚度为0.05
‑
0.7mm；优选地，所述多孔隔膜孔隙率为50
‑
70％，厚度为0.1
‑
0.3mm。3.根据权利要求1或2所述的膜电极，其中，所述多孔隔膜还包括负载于所述多孔隔膜两侧的耐碱氧化物涂层和/或氢氧化物涂层；优选地，所述耐碱氧化物和/或氢氧化物的金属选自IIA族、ⅣA族、IIB族、ⅣB族、VB族、
Ⅵ
B族、
Ⅶ
B族、
Ⅷ
族和稀土元素中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的膜电极，其中，所述耐碱氧化物涂层和/或氢氧化物涂层厚度为0.05
‑
20um；优选为1
‑
5um；和/或耐碱氧化物和/或氢氧化物用量为0.03
‑
12mg/cm2；优选为3
‑
10mg/cm2。5.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的膜电极，其中，所述析氢催化剂的负载量为1
‑
30mg/cm2；和/或所述析氧催化剂的负载量为1

【专利技术属性】
技术研发人员：邓甜音，徐永飞，何广利，杨峰，刘艳莹，梁萌，张增光，任杰，
申请(专利权)人：北京低碳清洁能源研究院国家能源集团新能源有限责任公司国华赤城风电有限公司，
类型：发明
国别省市：