【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及pem电解水制氢，尤其是涉及一种pem电解水制氢用阳极材料涂层、阳极材料及制备方法。
技术介绍
1、碱性（awe）电解水和质子交换膜（pem）电解水是目前应用最广泛的电解水技术。与碱性电解槽相比，pem电解槽可以在超过2a/cm2的大电流密度下运行，其集成度更高，这可以大大减小槽的体积；由于聚合物电解质膜的存在，这些器件可以直接输送压缩氢气，氢气纯度更高；同时，其瞬态响应时间更短，制氢效率更高，可以预见未来pem在可再生能源电力储能和汽车加氢站等领域中具有广阔的应用前景。
2、阳极材料是pem电解水制氢槽的关键材料，包括诸如双极板、气体扩散层等。其中，双极板及扩散层，起到分割空间、导电及控制气液传输的作用。燃料电池中常用的阳极材料为碳基，但在高电位的作用下，碳极易发生腐蚀，影响电解槽的电解效率和使用寿命。金属的材料因具有加工工艺成熟、力学性能及导电导热性能优异、高孔隙率等特点，较为广泛地应用于pemwe阳极。但是，裸露的金属阳极材料容易在pemwe的酸性环境中发生腐蚀，腐蚀发生时释放的腐蚀离子对催化剂有毒化作用，同时，其表面生成的氧化膜导致界面接触电阻增加，会降低pemwe输出功率进而降低电解槽的使用寿命。理想的阳极材料应该具有高导电性和耐腐蚀性，而在阳极材料表面设计合适的涂层，可以实现上述目标。
3、目前针对pem电解槽阳极材料的涂层大多集中在使用贵金属方面，且贵金属含量较高，进一步给电解槽增加了降本的困难，同时，一些涂层在瞬时测量中可以达到较好的耐蚀性和导电性，但在长时间的寿命测试中性能
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种pem电解水制氢用阳极材料涂层、阳极材料及制备方法，能够降低阳极材料涂层中的贵金属含量，大大降低了制备成本，且提升了阳极材料涂层的耐蚀性能和导电性能。
2、本专利技术的技术方案为：
3、一种pem电解水制氢用阳极材料涂层，自下而上，包括底层、设置在所述底层表面的中间层、设置在所述中间层表面的表面层；所述底层包含氧化物，所述中间层包含金属氮化物，所述表面层包括附着在中间层表面的贵金属颗粒。
4、可选的，所述底层中氧元素含量为10-80at%，优选为10-50at%。
5、可选的，所述中间层中金属氮化物为zr、nb、cr、ni、ti、si、c中一种以上元素的氮化物。
6、可选的，所述表面层中贵金属为铂、金、铱、钌中的一种以上。
7、可选的，所述底层的厚度＜200nm，所述中间层的硬度＞20gpa、厚度≤3μm，所述贵金属颗粒的粒径为1-300nm、附着率＜60%。
8、一种pem电解水制氢用阳极材料，包括基材层，所述基材层的表面设置有所述的pem电解水制氢用阳极材料涂层。
9、可选的，所述基材层的材质为不锈钢或钛合金。
10、一种所述pem电解水制氢用阳极材料的制备方法，包括下述步骤：
11、步骤1：前处理：对所述基材层的表面进行抛光处理后，将所述基材层进行酸浸泡或先碱浸泡后酸浸泡，再将浸泡后的基材层依次在去离子水、无水乙醇中超声清洗，吹干后获取表面粗糙的基材层；
12、步骤2：采用热处理、磁控溅射、真空等离子喷涂、电弧等离子体沉积、化学气相沉积中的一种方法在所述基材层的表面制备底层；
13、步骤3：采用热处理、磁控溅射、真空等离子喷涂、电弧等离子体沉积、化学气相沉积中的一种方法在所述底层的表面制备中间层；
14、步骤4：采用浸渍烧结、磁控溅射、真空等离子喷涂、电弧等离子体沉积、化学气相沉积中的一种方法在所述中间层的表面制备表面层，得到所述pem电解水制氢用阳极材料。
15、可选的，所述步骤1中，所述酸浸泡为将所述基材层在盐酸：氢氟酸：水=1：(3-10)：6的混合溶液中浸泡2-10min，所述先碱浸泡后酸浸泡为先将所述基材层在0.1-1m的50-80℃氢氧化钠溶液中浸泡30-90min、再在0.02-0.1m的硝酸溶液中浸泡10-60min。
16、可选的，所述热处理具体包括：在300-700℃下热处理30-90min；当制备底层时，热处理的气氛为氧气气氛；当制备中间层时，热处理的气氛为在真空气氛炉中通入氢气：氮气=1：(5-20)的气氛；
17、所述磁控溅射为射频磁控溅射、直流磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射中的一种；制备底层、中间层、表面层时，磁控溅射的分别是氧化物、金属氮化物、贵金属颗粒；
18、所述射频磁控溅射、直流磁控溅射均包括：在磁控溅射镀膜机中，关闭舱门抽真空，待真空度小于2*10-3pa时通入氩气，氩气的流量为14-24sccm，设置自转速度为1-7rpm、公转速度为1-5rpm，调整节流挡板角度控制薄膜规为0.8-1.2pa，控制溅射温度为0-600℃、溅射功率为100-400w，在对应层表面射频或直流磁控溅射30-240min；
19、所述高功率脉冲磁控溅射包括：在高功率脉冲磁控溅射机中，抽真空，通入氩气，控制溅射功率为100-300w，在对应层表面高功率脉冲磁控溅射2-20min；
20、当制备中间层时，磁控溅射过程通入氮气，通入气体的流量比为氮气：氩气=(0-5)：20；
21、所述真空等离子喷涂具体包括：在等离子喷涂机中，控制喷枪速度为10-30g/min、喷射角度为0-30°，喷涂100-500目对应的熔融态颗粒10-90min；制备底层、中间层、表面层时，分别以氩气、氮气、氩气为载体，熔融态颗粒分别为氧化物颗粒、金属颗粒、贵金属颗粒；
22、所述电弧等离子体沉积具体包括：在电弧等离子体沉积系统apd中，设置真空度小于10-3pa，控制放电电压在－200-－100v、放电频率在3-7hz、容抗在900-1200μf、脉冲在3000-4000转，电弧等离子体沉积5-180min；制备底层、中间层、表面层时，电弧等离子体沉积的分别是氧化物、金属氮化物、贵金属颗粒；
23、所述浸渍烧结具体包括：制备完中间层后，放入1-10mol/l的贵金属酸液中浸泡5-60min，再在400-650℃下进行热处理；浸渍烧结在手套箱中进行，保证无氧环境。
24、本专利技术的有益效果为：
25、（1）本专利技术的涂层通过设置包含氧化物的底层、在底层表面设置包含金属氮化物的中间层、在中间层表面设置包含贵金属颗粒的表面层，能够降低阳极材料涂层中的贵金属含量至0.3mg/cm2以下，大大降低了制备成本，同时提升阳极材料涂层的耐蚀性能和导电性能，尤其是提升长时间寿命测试后的耐蚀性能和导电性能，使得阳极材料的腐蚀电流密度＜1μa/cm2、接触电阻＜3mω。
26、（2）本专利技术的方法通过对基材层表面抛光处理后进行酸浸泡或先碱浸泡后酸浸泡、再将浸泡后的基材层依次在去本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种PEM电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，自下而上，包括底层、设置在所述底层表面的中间层、设置在所述中间层表面的表面层；所述底层包含氧化物，所述中间层包含金属氮化物，所述表面层包括附着在中间层表面的贵金属颗粒。
2.根据权利要求1所述的PEM电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，所述底层中氧元素含量为10-80at%，优选为10-50at%。
3.根据权利要求1所述的PEM电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，所述中间层中金属氮化物为Zr、Nb、Cr、Ni、Ti、Si、C中一种以上元素的氮化物。
4.根据权利要求1所述的PEM电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，所述表面层中贵金属为铂、金、铱、钌中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的PEM电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，所述底层的厚度＜200nm，所述中间层的硬度＞20Gpa、厚度≤3μm，所述贵金属颗粒的粒径为1-300nm、附着率＜60%。
6.一种PEM电解水制氢用阳极材料，其特征在于，包括基材层，所述基材层的表面设置有权利要求1至5中任一项所述
7.根据权利要求6所述的PEM电解水制氢用阳极材料，其特征在于，所述基材层的材质为不锈钢或钛合金。
8.一种权利要求6或7所述的PEM电解水制氢用阳极材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
9.根据权利要求8所述的PEM电解水制氢用阳极材料制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述酸浸泡为将所述基材层在盐酸：氢氟酸：水=1：(3-10)：6的混合溶液中浸泡2-10min，所述先碱浸泡后酸浸泡为先将所述基材层在0.1-1M的50-80℃氢氧化钠溶液中浸泡30-90min、再在0.02-0.1M的硝酸溶液中浸泡10-60min。
10.根据权利要求8所述的PEM电解水制氢用阳极材料制备方法，其特征在于，所述热处理具体包括：在300-700℃下热处理30-90min；当制备底层时，热处理的气氛为氧气气氛；当制备中间层时，热处理的气氛为在真空气氛炉中通入氢气：氮气=1：(5-20)的气氛；
...【技术特征摘要】
1.一种pem电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，自下而上，包括底层、设置在所述底层表面的中间层、设置在所述中间层表面的表面层；所述底层包含氧化物，所述中间层包含金属氮化物，所述表面层包括附着在中间层表面的贵金属颗粒。
2.根据权利要求1所述的pem电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，所述底层中氧元素含量为10-80at%，优选为10-50at%。
3.根据权利要求1所述的pem电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，所述中间层中金属氮化物为zr、nb、cr、ni、ti、si、c中一种以上元素的氮化物。
4.根据权利要求1所述的pem电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，所述表面层中贵金属为铂、金、铱、钌中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的pem电解水制氢用阳极材料涂层，其特征在于，所述底层的厚度＜200nm，所述中间层的硬度＞20gpa、厚度≤3μm，所述贵金属颗粒的粒径为1-300nm、附着率＜60%。
6.一种pem电解水制氢用阳极材料，其特征在于，包...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘蔚，于庆河，王维静，郝雷，米菁，刘皓，
申请(专利权)人：有研工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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