有序化阳极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种有序化阳极的制备方法

【技术实现步骤摘要】
有序化阳极的制备方法、有序化阳极及包含其的质子交换膜膜电极


[0001]本专利技术涉及了电极结构设计
，具体涉及了一种有序化阳极的制备方法
、
有序化阳极及包含其的质子交换膜膜电极
。

技术介绍

[0002]析氧反应
(OER)
在电解水制氢
、
可充电金属
‑
空气电池
、
可再生燃料电池等各种电化学体系的阳极反应中起到较为重要的作用
。
由于其动力学过程较为缓慢，限制了反应效率的提升
。
质子交换膜水电解
(PEMWE)
技术具有使电解水过程在更高的电流密度和电压下进行，且产生的氢气纯度更高等优势，因此被广泛的研究和应用，但其阳极附近强酸性氧化性的环境对析氧反应
(OER)
所选用的催化剂提出了较高的要求
。
[0003]常见的改进策略有
1)
新型酸性催化剂的设计；
2)
调控阳极表面催化剂形态与形貌；
3)
构建催化剂转化动态平衡等
。
其中调控阳极表面催化剂形态与形貌被认为是十分有效的一种策略
。
当前，常用的膜电极生产工艺有气体扩散电极
(GDE
，
gas diffusion electrode)
，催化剂涂层膜电极
(CCM
，
catalyst coating membrane)。GDE
>工艺以气体扩散层为基体，直接将催化剂涂覆在气体扩散层上，再将
GDE
热压在质子交换膜两侧组装成膜电极
。
这种工艺催化层较厚，催化剂的负载量较高，利用率较低，此外层与层之间接触不够紧密，界面电阻较大，导致膜电极整体性能较低
。CCM
工艺是目前较为主流的膜电极生产工艺
。
具体地，
CCM
工艺将催化剂涂覆在质子交换膜两侧，再将气体扩散层热压在
CCM
两侧组装成膜电极
。
但是
CCM
工艺生产出的膜电极催化层稳定性较差，制作工艺复杂，并且其中金属铱的负载量仍较高
。
[0004]因此，亟待寻找一种能够在减少贵金属铱的投加量并且能够提高催化剂的利用率以及稳定性的新方法
。

技术实现思路

[0005]针对上述技术问题，本专利技术提供一种有序化阳极的制备方法
、
有序化阳极及包含其的质子交换膜膜电极，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一
。
[0006]作为本专利技术一个方面的实施例，提供了一种有序化阳极的制备方法，包括：通过电镀法
、
化学沉积法或溅射法对钛基底进行修饰，在钛基底表面间隔地有序化生长贵金属半球体团簇，得到修饰有贵金属团簇的钛基底；将修饰有贵金属团簇的钛基底置于铱盐或钌盐溶液中，进行电沉积反应，使得铱的氧化物或者钌的氧化物沉积至贵金属团簇上和未被贵金属团簇修饰的钛基底上，得到有序化阳极
。
[0007]根据本专利技术的一些实施例，贵金属包括铂
、
金
、
铱或钌；铱的氧化物包括：
IrO
x
或
IrO2；钌的氧化物包括：
RuO2。
[0008]根据本专利技术的一些实施例，在有序化生长贵金属团簇之前，还对钛基底进行预处理，包括：使用酸洗处理将钛基底粗品表面附着的氧化膜去除后，再进行水洗
、
干燥处理，得
到钛基底
。
[0009]根据本专利技术的一些实施例，通过电镀法在钛基底表面间隔地有序化生长贵金属半球体团簇包括：以钛基底作为工作电极，以钛基底粗品为对电极，以
SCE
为参比电极，在
15
～
25℃
的条件下，以5～
15mA
的恒定电流在贵金属盐溶液中搅拌处理3～
10min
，以稳定地形成贵金属半球体团簇；贵金属盐包括：铂盐
、
金盐
、
铱盐或钌盐
。
[0010]根据本专利技术的一些实施例，电沉积反应的条件为：以钛基底作为工作电极，以钛基底粗品为对电极，以
SCE
为参比电极，在
15
～
25℃
的条件下，以
0.5
～
0.9V
SCE
的恒定电压在铱盐或钌盐溶液中沉积处理8～
12min
，其中，铱盐包括氯铱酸
、
三氯化铱或四氯化铱；钌盐包括三氯化钌或硫酸钌
。
[0011]作为本专利技术另一个方面的实施例，提供了一种有序化阳极，通过如上所述的制备方法制备而成
。
[0012]作为本专利技术还一个方面的实施例，提供了一种质子交换膜膜电极，包括如上所述的有序化阳极
、
阴极和位于有序化阳极和所述阴极之间的质子交换膜；有序化阳极
、
质子交换膜和阴极通过热压处理进行组装
。
[0013]根据本专利技术的一些实施例，阴极为通过以下方法制备而成：对含
Pt/C
粉末的阴极墨水进行超声均化，其中超声频率为
10
～
60kHz
，超声时间为
10
～
60min
；将均化后的阴极墨水涂覆在碳纸上，得到阴极
。
[0014]根据本专利技术的一些实施例，
Pt/C
粉末在碳纸上的负载量为
0.1
～
2mg/cm2。
[0015]根据本专利技术的一些实施例，热压处理的温度为
100
～
180℃
，热压处理的压力为
390
～
450psi
，热压处理的时间为1～
10min。
[0016]基于本专利技术上述实施例的一种有序化阳极的制备方法
、
有序化阳极及包含其的质子交换膜膜电极，本专利技术通过对钛基底表面间隔地有序化生长贵金属颗粒，在贵金属颗粒之间内应力的作用下，贵金属颗粒形成稳定的半球状团簇，形成的贵金属半球状团簇构成了修饰层，进一步扩大了钛基底的比表面积，提升了作为催化剂的铱的氧化物或者钌的氧化物的比表面积，能够在降低铱的氧化物或者钌的氧化物的负载量的同时，依然得到较高的催化活性，从而提高催化剂的催化效率
。
本专利技术构建的有序化阳极，由于催化剂也是有序化均匀地排列，从而为电子和物质的传输提供了通路，较大程度地降低了传质阻力和欧姆阻抗，更有利于表现出较高的催化活性
。
本专利技术构建的有序化阳极的电极界面电阻较小，能够在表现出较好的催化性能的同时，具有较好的稳定性，使用寿命较长
。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种有序化阳极的制备方法，包括：通过电镀法
、
化学沉积法或溅射法对钛基底进行修饰，在所述钛基底表面间隔地有序化生长贵金属半球体团簇，得到修饰有贵金属团簇的钛基底；以及将所述修饰有贵金属团簇的钛基底置于铱盐或钌盐溶液中，进行电沉积反应，使得铱的氧化物或者钌的氧化物沉积至所述贵金属团簇上和未被贵金属团簇修饰的所述钛基底上，得到所述有序化阳极
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述贵金属包括铂
、
金
、
铱或钌；所述铱的氧化物包括：
IrO
x
或
IrO2；所述钌的氧化物包括：
RuO2。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其中，在有序化生长贵金属团簇之前，还对所述钛基底进行预处理，包括：使用酸洗处理将钛基底粗品表面附着的氧化膜去除后，再进行水洗
、
干燥处理，得到所述钛基底
。4.
根据权利要求3所述的制备方法，其中，通过电镀法在钛基底表面间隔地有序化生长贵金属半球体团簇包括：以钛基底作为工作电极，以钛基底粗品为对电极，以
SCE
为参比电极，在
15
～
25℃
的条件下，以5～
15mA
的恒定电流在贵金属盐溶液中搅拌处理3～
10min
，以稳定地形成所述贵金属半球体团簇；其中，所述贵金属盐包括：铂盐
、
金盐
、
铱盐或钌盐
。5.
根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述电沉积反应的条件为：以钛基底作为工作电极，以钛基底粗品为对电极，以
SCE
为参比电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛君杰，王文辉，王显，卞春雷，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：