膜电极制造技术

本申请涉及一种膜电极

【技术实现步骤摘要】
膜电极、质子交换膜电解池及氢气和一氧化碳的制备方法


[0001]本申请涉及电催化领域，特别是涉及一种膜电极
、
质子交换膜电解池及氢气和一氧化碳的制备方法
。

技术介绍

[0002]为了社会的可持续发展，化石燃料的日益消耗促使可持续能源的快速发展
。
氢气具有较高的能量密度，被认为是较佳的绿色可持续能源
。
甲醇是目前较理想的液体氢载体，甲醇辅助水分解和甲醇水蒸气重整是最广泛的制氢方法，反应式为
CH3OH+H2O
→
CO2+3H2，反应机理为
CH3OH
在阳极生成
CO2和
H
+
，
H
+
传到阴极生成
H2。
然而，该制氢方法不仅需要较高的电压输入（
>0.6V
）和较高的反应温度（
>300℃
），还会产生大量的
CO2，加剧温室效应
。
[0003]作为一种替代的产氢方法，甲醇热催化分解（
CH3OH
→
CO+2H2）更有利于可持续社会的发展
。
其中，
CO
是合成碳氢化合物的重要中间体，并在工业过程如费托合成中扮演重要角色
。
然而，该过程由于受热力学平衡的限制，反应效率较低
。

技术实现思路

[0004]基于此，本申请提供了一种产气速率较快的氢气和一氧化碳的制备方法
。
[0005]本申请解决上述技术问题的技术方案如下
。
[0006]本申请第一方面提供了一种膜电极，包括依次层叠设置的第一阳极催化层
、
第二阳极催化层
、
质子交换膜和阴极催化层，所述第一阳极催化层为碳载钌，所述第二阳极催化层包括碳载钯
、
碳载铂和碳载铱中的至少一种，所述阴极催化层包括碳载钯和碳载铱中的至少一种
。
[0007]在其中一些实施例中，膜电极中，所述质子交换膜为磷酸掺杂的聚合物膜
。
[0008]在其中一些实施例中，膜电极中，所述第一阳极催化层中钌的载量为
0.1 mg/cm
2 ~ 3 mg/cm2。
[0009]在其中一些实施例中，膜电极中，所述第二阳极催化层中贵金属的载量为
0.01 mg/cm
2 ~ 0.5 mg/cm2。
[0010]在其中一些实施例中，膜电极中，所述第一阳极催化层与所述第二阳极催化层的厚度比为
(8~12):1。
[0011]在其中一些实施例中，膜电极中，所述阴极催化层中贵金属的载量为
0.1 mg/cm
2 ~ 2 mg/cm2。
[0012]本申请第二方面提供了一种质子交换膜电解池，包括依次层叠设置的阳极极板
、
阳极气体扩散层
、
第一方面提供的膜电极
、
阴极气体扩散层及阴极极板，所述膜电极的所述阴极催化层靠近所述阴极气体扩散层设置
。
[0013]本申请第三方面提供了一种氢气和一氧化碳的制备方法，包括以下步骤：
[0014]将甲醇置于第二方面提供的质子交换膜电解池中进行电催化反应，在所述膜电极的所述第一阳极催化层和所述第二阳极催化层上得到一氧化碳，在所述阴极催化层上得到
氢气
。
[0015]在其中一些实施例中，氢气和一氧化碳的制备方法中，所述电催化反应在电压为
0.05 V~0.4 V
条件下进行
。
[0016]在其中一些实施例中，氢气和一氧化碳的制备方法中，所述质子交换膜电解池的工作温度为
100℃~240℃。
[0017]与现有技术相比较，本申请的膜电极具有如下有益效果：
[0018]上述膜电极，包括依次层叠设置的第一阳极催化层
、
第二阳极催化层
、
质子交换膜和阴极催化层，以第一阳极催化层和第二阳极催化层为双催化层阳极，并控制各催化层的催化剂种类，将其与气体扩散层等部件组装成质子交换膜电解池并用于甲醇生产氢气和一氧化碳时，甲醇在特定种类的第一阳极催化层上发生热催化脱氢反应，分解为氢气和一氧化碳，氢气在第二阳极催化层上发生电化学氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极与电子结合生成氢气析出，从而分别在阳极得到一氧化碳，阴极得到氢气；同时，第一阳极催化层上产生的氢气被消耗，氢气的分压降低，使得甲醇热催化脱氢反应平衡向氢气和一氧化碳的方向移动，从而有效促进氢气和一氧化碳的生成效率，使氢气和一氧化碳的产气速率较高
。
[0019]即将上述膜电极与气体扩散层等部件组装成质子交换膜电解池并用于甲醇生产氢气和一氧化碳时，可将氢气从甲醇脱氢区域阳极转移到阴极，突破了甲醇脱氢反应的热力学平衡的限制，提高了甲醇脱氢反应效率，即提升了氢气和一氧化碳的产气速率；且电化学转移过程使氢气直接在阴极析出，有效提升了氢气的纯度，省略了氢气额外的分离纯化步骤
。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图
。
[0021]图1为一实施方式提供的膜电极的结构示意图；
[0022]图2为一实施方式制备氢气和一氧化碳的反应机理示意图；
[0023]图3为实施例1中
A
组
~E
组的
CO
产率情况图；
[0024]图4为对比例1中
F
组
~J
组的
CO
产率情况图
。
[0025]附图标记：
[0026]10
：膜电极；
11
：双功能阳极催化层；
12
：质子交换膜；
13
：阴极催化层；
111
：第一阳极催化层；
112
：第二阳极催化层
。
具体实施方式
[0027]现将详细地提供本专利技术实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文
。
提供每一实例作为解释而非限制本专利技术
。
实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本专利技术进行多种修改和变化而不背离本专利技术的范围或精神
。
例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式
。
[0028]因此，旨在本专利技术覆盖落入所附权利要求的范围及其等同范围中的此类修改和变化
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种膜电极，其特征在于，包括依次层叠设置的第一阳极催化层
、
第二阳极催化层
、
质子交换膜和阴极催化层，所述第一阳极催化层为碳载钌，所述第二阳极催化层包括碳载钯
、
碳载铂和碳载铱中的至少一种，所述阴极催化层包括碳载钯和碳载铱中的至少一种
。2.
如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述质子交换膜为磷酸掺杂的聚合物膜
。3.
如权利要求1或2所述的膜电极，其特征在于，所述第一阳极催化层中钌的载量为
0.1 mg/cm
2 ~ 3 mg/cm2。4.
如权利要求1或2所述的膜电极，其特征在于，所述第二阳极催化层中贵金属的载量为
0.01 mg/cm
2 ~ 0.5 mg/cm2。5.
如权利要求1或2所述的膜电极，其特征在于，所述第一阳极催化层与所述第二阳极催化层的厚度比为
(8~12):1。6.
如权利要求1或2所述的膜电极，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王双印，陶李，吴雨洁，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：