一种具有孔隙结构的气体扩散层及表面改性方法与应用技术

本发明专利技术涉及电解水技术领域，具体涉及一种具有孔隙结构的气体扩散层且通过采用

【技术实现步骤摘要】
一种具有孔隙结构的气体扩散层及表面改性方法与应用


[0001]本专利技术涉及电解水
，具体涉及一种具有孔隙结构的气体扩散层及表面改性方法与应用
。

技术介绍

[0002]氢气作为新一代可持续新能源，电能转换率高达
60
％
‑
80
％，并且还可以作为氨气
、
甲醇
、
甲烷等工业制品的原材料，因此氢气的制备技术得到广大研究者的广泛研究
。
其中质子交换膜电解水
(
以下简称
PEM)
技术
,
具有无污染
、
可灵活利用各种绿色能源
、
启动速度快
、
电流波动适应性强等特点成为氢气的重要制备方法之一
。
气体扩散层作为
PEM
电解池的关键零部件之一，目前在工业生产条件下通常将钛作为当前
PEM
制氢气体扩散层的首选材料，具备较强的耐腐蚀性，但是在催化反应过程中产生的氧化物，存在扩散层与质子膜之间的接触电阻增加，催化效率下降等缺点，从而导致制氢效率下降，电解槽使用寿命变短等一系列问题
。
因此，气体扩散层的表面改性成为了
PEM
制氢领域的一个技术突破难点
。
[0003]如中国专利
CN114000176A
公开了一种双功能电解水催化剂镀层的制备方法，该专利申请中利用水电镀方式制作了一种多成分复合镀层材料，但是该方法在制备过程中，溶液浓度会随着生产进程不断变小，变化的浓度会导致成膜速率降低，甚至影响催化性能，导致结果与预期不符
。
又如中国专利
CN113279006A
公开了一种气体扩散电极
、
制备方法及其应用，采用光化学反应方式制备得到气体扩散层，虽然贵金属成本下降，但金属卟啉的成本远高于贵金属，且大规模生产的可行性低
。
并且以上两种涂层制备方式均在大气下进行，产品基材易受到氧化而导致导电性下降
。
[0004]因此基于上述问题，本申请对现有技术中的气体扩散层及其制备方法作出了改进
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种具有孔隙结构的气体扩散层，同时本专利技术提供了其表面改性方法和应用
。
采用
PVD
物理气相沉积方法中真空磁控溅射手段，制取均匀性良好，结合力优异，具备高耐腐蚀性
、
高导电性
、
长寿命的低负载量催化剂层，且真空环境阻止了金属基材在大气环境中可能发生的氧化导致体电阻的升高
。
本方法的制备方式具备可重复性，可批量性，可根据产品尺寸选择不同规格的工装及设备腔体进行批产
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案为：
[0007]本专利技术提供了一种具有孔隙结构的气体扩散层，包括金属基材以及设置在催化剂涂层，所述金属基材为具有孔隙结构的基底，所述催化剂涂层包括但不限于金属
、
非金属
、
半导体
、
合金以及其对应的氧化物或氮化物
。
[0008]在上述技术方案基础上，所述金属基材为钛纤维烧结毡
、
钛粉末烧结毡
、
钛网中的一种或多种，孔隙率为
70
％以上
。
更优选的，所述金属基材为钛纤维烧结毡且孔隙率为
70
％，厚度为
0.25mm。
[0009]在上述技术方案基础上，所述催化剂涂层的源材料为
Pt、Ir、Ta、Mo、Ru、Au、Cr、Sn、W、Si
以及
C
元素中的一种或多种
。
[0010]在上述技术方案基础上，所述催化剂涂层在金属基材上的沉积厚度为5‑
800nm
；更优选的，所述催化剂涂层在金属基材上的沉积厚度为5‑
300nm。
[0011]本专利技术提供了一种具有孔隙结构的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：步骤一，金属基材预处理：对金属基材的表面和孔隙结构侧壁均进行清洁；
[0012]步骤二，催化剂涂层制备：基于物理气相沉积
PVD
方法原理，采用非平衡磁控溅射设备在金属基材上制备得到一层氧化物涂层即催化剂涂层
。
[0013]本专利技术中通过采用
PVD
物理气相沉积法在金属基材上设置有氧化物镀层，金属基材上镀层更加均匀，尤其适用于在孔隙结构的金属基材上，在基材的正反两个平面，以及在纤维丝的侧面上均能获得均匀的涂层沉积，具有较低的接触电阻，较高的耐腐蚀性能，高阳极反应催化能力；同时涂层和金属基材的结合力好，涂层结合力优于其他的成膜方式如蒸发镀膜，贵金属用量少优于涂覆烘焙法及水电解法，按附载量计算优于其他制备方式5‑
10
倍，成本有大幅降低，且具备优异的催化性能
。
同时制备过程中真空环境阻止了金属基材在大气环境中可能发生的氧化导致体电阻的升高，导电性能更加优异
。
本方法的制备方式具备可重复性，可批量性，可根据产品尺寸选择不同规格的工装及设备腔体进行批产
。
[0014]同时采用
PVD
物理气相沉积方法制备催化剂涂层，相比蒸发式镀膜法，本申请具备更好的涂层与基材的结合力，具备更好的均匀性；相比于化学气相沉积，由于反应成膜的过程中，金属基材温度会随着反应时间增加而升高，本申请中的金属基材在成膜镀层过程中，减少反应热，具备高于化学气相沉积的沉积速率；相比于传统的湿法电镀如水电镀，对环境无污染
。
[0015]此外，催化剂涂层的源材料可选择性更强，即包括金属
、
非金属
、
半导体材料
、
合金等，均可成为催化剂涂层的靶材元素
。
[0016]在上述技术方案基础上，所述步骤一中清洁包括以下步骤：
[0017]S1
，使用浓度为
0.1
‑
5mol/L
的硫酸对金属基材进行清洗，清洗频率为5‑
40KHZ
，清洗时间为
100
‑
600s
；优选的，所述硫酸的浓度为
0.5
‑
2mol/L
，清洗频率为
20
‑
40KHZ
，清洗时间为
300
‑
600s
；
[0018]S2
，采用浓度为
0.1
‑
5mol/L
的
NaOH
碱性溶液对步骤
S1
中得到的金属基材进行中和，然后用去离子水进行漂洗多次，漂洗后用干燥箱进行干燥；优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有孔隙结构的气体扩散层，其特征在于，包括金属基材以及设置在催化剂涂层，所述金属基材为具有孔隙结构的基底，所述催化剂涂层包括但不限于金属
、
非金属
、
半导体
、
合金以及其对应的氧化物或氮化物
。2.
根据权利要求1所述的一种具有孔隙结构的气体扩散层，其特征在于，所述金属基材为钛纤维烧结毡
、
钛粉末烧结毡
、
钛网中的一种或多种，孔隙率为
70
％以上
。3.
根据权利要求1所述的一种具有孔隙结构的气体扩散层，其特征在于，所述催化剂涂层的源材料为
Pt、Ir、Ta、Mo、Ru、Au、Cr、Sn、W、Si
以及
C
元素中的一种或多种
。4.
根据权利要求1所述的一种具有孔隙结构的气体扩散层，其特征在于，所述催化剂涂层在金属基材上的沉积厚度为5‑
800nm。5.
一种根据权利要求1至4任一项所述的具有孔隙结构的气体扩散层的表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，金属基材预处理：对金属基材的表面和孔隙结构侧壁均进行清洁；步骤二，催化剂涂层制备：基于物理气相沉积
PVD
方法原理，采用非平衡磁控溅射设备在金属基材上制备得到一层氧化物涂层即催化剂涂层
。6.
根据权利要求5所述的具有孔隙结构的气体扩散层的表面改性方法，其特征在于，所述步骤一中清洁包括以下步骤：
S1
，使用浓度为
0.1
‑
5mol/L
的硫酸对金属基材进行清洗，清洗频率为5‑
40KHZ
，清洗时间为
100
‑
600s
；
S2
，采用浓度为
0.1
‑
5mol/L
的
NaOH
碱性溶液对步骤
S1
中得到的金属基材进行中和，然后用去离子水进行漂洗多次，漂洗后用干燥箱进行干燥；
S3
，使用碳氢清洗剂对步骤
S2
得到的金属基材进行超声清洗，超声频率为5‑
40KHZ
，超声时间为
10
‑
300s。7.
根据权利要求5所述的具有孔隙结构的气体扩散层的表面改性方法，其特征在于，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟才，张心周，张科，于承雪，刘阳，顾婷婷，
申请(专利权)人：中钛国创青岛科技有限公司，
类型：发明
国别省市：