一种膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术属于电化学技术领域，具体涉及一种膜电极及其制备方法。本发明专利技术提供的膜电极制备方法，包括以下步骤：(1)将离子交换膜进行活化处理，然后在离子交换膜表面沉积导电涂层，得到预处理离子交换膜；(2)以预处理离子交换膜为工作电极，将其与对电极和参比电极置于含有金属盐催化剂的电解液中，通过电化学沉积在预处理离子交换膜表面原位生长催化剂层；(3)在催化剂层的表面涂覆离聚物并进行干燥处理。该方法以离子交换膜为基底原位生长催化剂，直接获得催化剂层/离子交换膜/催化剂层的三层结构，减少了制备过程中催化剂原料的损失，能够提升催化剂与离子交换膜的结合强度，进而显著提升膜电极系统的电化学性能和稳定性。提升膜电极系统的电化学性能和稳定性。提升膜电极系统的电化学性能和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种膜电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于电化学
，具体涉及一种膜电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]自工业革命以来，人类社会、经济高速发展，但随着化石能源的大量使用，环境问题愈发严峻，全球能源转型势在必行。在此背景下，化石燃料的直接使用受到限制，可再生能源发电的比重不断上升，促进了“再电气化”的进程，推进了电化学器件的发展。
[0003]膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)是质子交换膜燃料电池、质子/阴离子交换膜电解池的核心部件，在电化学反应中承担着传质与能量交换的核心角色，对电化学器件的性能有着决定性的作用。因此，如何提高膜电极组件的电化学性能至关重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
[0005]膜电极组件主要由质子交换膜、催化剂、气体扩散层三个关键材料和边框组成，其中催化剂层与离子交换膜的结合情况对膜电极组件的电化学性能有着关键作用。当前膜电极主要采用五合一的CCS(catalyst coated substrate)或三合一的CCM(catalyst coated membrane)方式制备，尽管CCM法相比于CCS法提升了催化剂层与离子交换膜的贴合度，但其制备流程仍比较复杂且易受多种环境因素的影响，制备过程不够稳定，使膜电极的一致性不够，因此膜电极的制备方式依然需要进一步探究。
[0006]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的实施例提出一种膜电极的制备方法，该方法以离子交换膜为基底原位生长催化剂，直接获得催化剂层/离子交换膜/催化剂层的三层结构，能够减少制备过程中催化剂原料的损失，提高催化剂与离子交换膜的结合强度，另外，通过改变实验参数，可以制备控制催化剂的厚度、粒径等理化性质，避免了传统膜电极制备的复杂流程，能够显著提高膜电极系统的电化学性能与稳定性。
[0007]本专利技术实施例的膜电极的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将离子交换膜进行活化处理，然后在离子交换膜表面沉积导电涂层，得到预处理离子交换膜；
[0009](2)以所述步骤(1)得到的预处理离子交换膜为工作电极，将其与对电极和参比电极置于含有金属盐催化剂的电解液中，通过电化学沉积在所述预处理离子交换膜表面原位生长催化剂层；
[0010](3)在所述步骤(2)得到的催化剂层的表面涂覆离聚物并进行干燥处理。
[0011]本专利技术实施例的膜电极的制备方法带来的优点和技术效果，1、本专利技术实施例的方法，在离子交换膜表面沉积的导电涂层，一方面能够提高离子交换膜的导电性，另一方面能在离子交换膜上作为模板，与催化剂进行元素置换，使催化剂更好的沉积在离子交换膜的表面；2、本专利技术实施例的方法，以离子交换膜为基底，采用电化学沉积原位生长催化剂，提
高了催化剂层与离子交换膜的结合强度，进而能够提升膜电极的电化学性能与稳定性；3、本专利技术实施例的方法，简化了制备的流程，简单易操作，便于在工业生产中的推广应用。
[0012]在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述活化处理包括将离子交换膜在盐溶液或碱溶液中浸泡处理。
[0013]在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述导电涂层采用真空溅射的方法进行沉积；和/或，所述导电涂层的厚度为10～500nm。
[0014]在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述导电涂层包括铂、钯、镍、铁、铝、铜中的至少一种。
[0015]在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述参比电极为Ag/AgCl，所述对电极为铂片或石墨片；和/或，所述金属盐催化剂包含H2PtCl4、Ni(NO3)2、NiSO4、AgNO3、Zn(NO3)2、Co(NO3)2、CoCl2、Pb(ClO4)2、Bi(CH3COO)3中的至少一种。
[0016]在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述电解液中金属盐催化剂的金属离子的浓度为0.01～0.1mol/L；和/或，所述电解液为0.05～1mol/L的H2SO4或0.1～2mol/L的HClO4。
[0017]在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述电化学沉积中扫描电位区间为0.2～0.9V，扫描速度为1～100mV/s，扫描圈数为5～100。
[0018]在一些实施例中，所述步骤(2)中还包括，在电化学沉积催化剂层前对所述预处理离子交换膜表面的导电涂层进行清洗处理；和/或，所述步骤(3)中还包括，在涂覆离聚物前对所述催化剂层进行清洗处理。
[0019]在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述离聚物的含量为催化剂含量的5～30wt％。
[0020]本专利技术实施例还提供了一种膜电极，采用上述的方法制得。
[0021]本专利技术实施例提供的膜电极带来的优点和技术效果，采用上述方法制得的膜电极，催化剂层与离子交换膜之间具有较好的结合强度，使得该膜电极具有更好的电化学性能和稳定性能。
附图说明
[0022]图1是催化剂原位生长的膜电极制备示意图；
[0023]图2是实施例1～3制得的原位生长的铂@铜膜电极的扫描电镜图；
[0024]图3是实施例1和对比例1～2制备的膜电极的电解水性能对比曲线图；
[0025]图4是实施例1和实施例4～5制备的膜电极的电解水性能对比曲线图。
具体实施方式
[0026]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0027]本专利技术实施例的膜电极的制备方法，包括以下步骤：
[0028](1)将离子交换膜进行活化处理，然后在离子交换膜表面沉积导电涂层，得到预处理离子交换膜；
[0029](2)以所述步骤(1)得到的预处理离子交换膜为工作电极，将其与对电极和参比电极置于含有金属盐催化剂的电解液中，通过电化学沉积在所述预处理离子交换膜表面原位生长催化剂层；
[0030](3)在所述步骤(2)得到的催化剂层的表面涂覆离聚物并进行干燥处理。
[0031]本专利技术实施例的膜电极的制备方法带来的优点和技术效果，1、本专利技术实施例的方法，在离子交换膜表面沉积的金属导电涂层，一方面能够提高离子交换膜的导电性，另一方面能在离子交换膜上作为模板，与催化剂进行元素置换，使催化剂更好的沉积在离子交换膜的表面；2、本专利技术实施例的方法，以离子交换膜为基底，采用电化学沉积原位生长催化剂，提高了催化剂层与离子交换膜的结合强度，进而能够提升膜电极的电化学性能与稳定性；3、本专利技术实施例的方法，简化了制备的流程，简单易操作，便于在工业生产中的推广应用。
[0032]在一些实施例中，优选地，所述步骤(1)中，所述活化处理是将离子交换膜在盐溶液或碱溶液中浸泡处理。进一步优选地，当所述离子交换膜为阴离子交换膜时，所述盐溶液为0.1～1mol/L的KCl、NaCl、K2CO3、Na2CO3中的至少本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将离子交换膜进行活化处理，然后在离子交换膜表面沉积导电涂层，得到预处理离子交换膜；(2)以所述步骤(1)得到的预处理离子交换膜为工作电极，将其与对电极和参比电极置于含有金属盐催化剂的电解液中，通过电化学沉积在所述预处理离子交换膜表面原位生长催化剂层；(3)在所述步骤(2)得到的催化剂层的表面涂覆离聚物并进行干燥处理。2.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述活化处理包括将离子交换膜在盐溶液或碱溶液中浸泡处理。3.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述导电涂层采用真空溅射的方法进行沉积；和/或，所述导电涂层的厚度为10～500nm。4.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述导电涂层包括铂、钯、镍、铁、铝、铜中的至少一种。5.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述参比电极为Ag/AgCl，所述对电极为铂片或石墨片；和/或，所述金属盐催化剂包含H2PtCl4、Ni(N...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫旭鹏，任志博，刘丽萍，卢启辰，刘鹏，王金意，
申请(专利权)人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：