一种有序化膜电极及其制备与应用制造技术

本发明专利技术涉及膜电极制备技术领域，具体公开一种有序化膜电极及其制备与应用，该有序化膜电极包括依次叠加热压的有序化催化层

【技术实现步骤摘要】
一种有序化膜电极及其制备与应用


[0001]本专利技术涉及膜电极制备
，特别涉及一种有序化膜电极及其制备与应用
。

技术介绍

[0002]随着化石能源的污染和供应危机加剧，发展清洁可再生能源对安全和民生需求具有重大意义，开发绿色可持续能源成为全球社会发展的共同主题
。
近年来，氢能以其特有的清洁
、
价廉和高能量密度受到人们的广泛关注，使用电化学方式构筑电解水制氢等制氢方法对能源结构优化具有重要战略意义和经济价值
。
[0003]电解水膜电极是
PEM(
聚合电解质膜
)
电解水制氢装置的重要组成部分，其包括质子交换膜
(PEM)、
气体扩散层
(GDL)
和催化层
(CL)。
膜电极是电解水制氢装置的核心部位，是析氢反应时电子
、
质子
、
反应气体和产物水等多相物质传递及电化学反应的重要场所
。
膜电极中的质子交换膜与催化层之间的界面对传质和电荷转移有显著影响，目前，膜电极的制备方法包括将电催化剂以多种方式负载到气体扩散层上，然后与质子交换膜热压结合，该方法制备工艺简单，但，质子交换膜与催化层之间容易分层脱落，导致界面电阻增大；将电催化剂喷涂于质子交换膜两侧，其催化层与质子交换膜结合紧密，膜电极操作寿命显著延长，制备的膜电极结构被称为
CCM(Catalyst CoatedMembrane)
结构，但是该方法工艺复杂，制备的膜电极距离膜电化学反应器的大规模商业化所需求的性能
、
成本
、
耐久性方面还有相当大的差距；通过不同的模板化途径，发展具有特定结构的有序膜电极，设计气液固三相传质通道，优化膜电极中电催化反应与传质过程，取得提升膜电极性能的效果
。
[0004]有序化膜电极通过构建有序化的多相物质传输通道，使得气体
、
质子
、
电子
、
水
、
热等可以得到高效传输，这种有序结构在一定程度上提高了贵金属催化剂的利用率，降低铂负载量，并且保持了较高的功率密度，同时有序的结构起到水管理作用，减少了催化剂的聚集现象，有效地延长了膜电极的寿命
。
有序化膜电极分为三类：载体材料有序化催化层
、
催化剂有序化催化层以及
Nafion(Nafion
是一种具有梳型结构的聚合物电解质，由全氟碳主链和磺酸基封端的氟醚侧链所构成
)
纳米结构有序化
。
[0005]因此，如果能提供一种有序化膜电极，其催化层采用非铂原料制备为有序化结构，降低贵金属负载量，提高催化层的离子传递速率，则更有利于实现电解水制氢的低成本
、
高效稳定运行
。

技术实现思路

[0006]鉴于上述所有现有技术存在的缺点，本专利技术提供一种有序化膜电极及其制备与应用，以解决现有技术中贵金属负载量较高，质子交换膜与催化层之间的界面结构有序化程度较低，生产较高，膜电极运行稳定性较低等问题
。
[0007]为实现上述目的及相关目的，本专利技术第一方面提供一种有序化膜电极，该有序化膜电极包括依次叠合热压的有序化催化层
、
质子交换膜和有序化催化层，有序化催化层包括泡沫镍和负载于泡沫镍上的催化剂，催化剂为硒化钼纳米片包覆二氧化铈纳米线
。
[0008]进一步，质子交换膜为全氟磺酸类质子交换膜或碳氢烃类质子交换膜
。
[0009]本专利技术第二方面提供一种有序化膜电极的制备方法，该方法包括：
[0010](1)
制备有序化催化层：配制含硒粉
、
钼盐和二氧化铈纳米线的反应液，将反应液转入置有泡沫镍的反应容器中进行溶剂热反应，反应结束后，取出泡沫镍，洗涤，烘干，在氩气气氛下保温处理，得到负载有硒化钼纳米片包覆二氧化铈纳米线催化剂的泡沫镍；
[0011](2)
制备有序化膜电极：依次将步骤
(1)
中负载有硒化钼纳米片包覆二氧化铈纳米线催化剂的泡沫镍
、
质子交换膜和负载有硒化钼纳米片包覆二氧化铈纳米线催化剂的泡沫镍叠加进行热压处理，制得有序化膜电极
。
[0012]进一步，制备步骤
(1)
中二氧化铈纳米线包括以下步骤：
[0013]A.
将铈盐
、
钼盐
、
碱液和去离子水混合，得到混合溶液
X
；
[0014]B.
将步骤
A
中混合溶液
X
进行水热反应，反应结束后，冷却，洗涤，烘干，得到二氧化铈前驱体；
[0015]C.
将步骤
B
中二氧化铈前驱体进行煅烧，得到二氧化铈纳米线
。
[0016]进一步，配制步骤
(1)
含硒粉
、
钼盐和二氧化铈纳米线的反应液包括以下步骤：
[0017]D.
将钼盐溶解于乙醇溶液中，配制得到钼盐溶液；
[0018]E.
将硒粉溶解于水合肼中，配制得到溶液
Y
；
[0019]F.
将步骤
D
中钼盐溶液和步骤
E
中溶液
Y
混合，搅拌，加入步骤
C
中二氧化铈纳米线，搅拌，得到反应液
。
[0020]进一步，步骤
A
中铈盐包括硝酸铈
、
硫酸铈
、
硫酸铈铵水合物
、
六水硝酸铈中至少一种
。
[0021]进一步，步骤
A
中钼盐包括钼酸钠
、
二水钼酸钠
、
四水钼酸铵
、
钼酸铵和磷酸钼中至少一种
。
[0022]进一步，步骤
A
中碱液包括氢氧化钾
、
氢氧化钠
、
氢氧化锂中的至少一种
。
[0023]进一步，步骤
A
中铈盐
、
钼盐
、
碱液的质量比为
(2
～
15)
：
(0.1
～
1)
：
(10
～
20)。
[0024]进一步，步骤
B
中水热反应的温度为
100
～
200℃
，反应时间为
12
～
48h。
[0025]进一步，步骤
C
中煅烧温度为
500
～
700℃
，煅烧时间为1～
6h。
[0026]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种有序化膜电极，其特征在于，所述有序化膜电极包括依次叠合热压的有序化催化层
、
质子交换膜和有序化催化层，所述有序化催化层包括泡沫镍和负载于所述泡沫镍上的催化剂，所述催化剂为硒化钼纳米片包覆二氧化铈纳米线
。2.
根据权利要求1所述的有序化膜电极，其特征在于，所述质子交换膜为全氟磺酸类质子交换膜或碳氢烃类质子交换膜
。3.
一种有序化膜电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)
制备有序化催化层：配制含硒粉
、
钼盐和二氧化铈纳米线的反应液，将所述反应液转入置有泡沫镍的反应容器中进行溶剂热反应，反应结束后，取出泡沫镍，洗涤，烘干，在氩气气氛下保温处理，得到负载有硒化钼纳米片包覆二氧化铈纳米线催化剂的泡沫镍；
(2)
制备有序化膜电极：依次将步骤
(1)
中负载有硒化钼纳米片包覆二氧化铈纳米线催化剂的泡沫镍
、
质子交换膜和负载有硒化钼纳米片包覆二氧化铈纳米线催化剂的泡沫镍叠加进行热压处理，制得所述有序化膜电极
。4.
根据权利要求3所述的有序化膜电极的制备方法，其特征在于，制备所述步骤
(1)
中二氧化铈纳米线包括以下步骤：
A.
将铈盐
、
钼盐
、
碱液和去离子水混合，得到混合溶液
X
；
B.
将所述步骤
A
中混合溶液
X
进行水热反应，反应结束后，冷却，洗涤
、
烘干，得到二氧化铈前驱体；
C.
将所述步骤
B
中二氧化铈前驱体进行煅烧，得到所述二氧化铈纳米线
。5.
根据权利要求4所述的有序化膜电极的制备方法，其特征在于，配制所述步骤
(1)
含硒粉
、
钼盐和二氧化铈纳米线的反应液包括以下步骤：
D.
将钼盐溶解于乙醇溶液中，配制得到钼盐溶液；
E.
将硒粉溶解于水合肼中，配制得到溶液
Y
；
F.
将所述步骤
D
中钼盐溶液和所述步骤
E
中溶液
Y
混合，搅拌，加入所述步骤
C
中二氧化铈纳米线，搅拌，得到所述反应液
。6.
根据权利要求4所述的有序化膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤
A
中铈盐包括硝酸铈
、
硫酸铈
、
硫酸铈铵水合物
、
六水硝酸铈中至少一种；和
/
或，...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，王晓萌，张加加，周振声，
申请(专利权)人：苏州莒纳新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：