【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学，尤其涉及一种低成本新型超疏水janus膜一体化电极及其制备方法。
技术介绍
1、近年来，电催化co2还原(ecr)的研究已经取得了显著的进展，可以实现较高的选择性和电流密度制备c1产物，但高效制备附加值更高的c2产物仍具挑战。铜(cu)作为唯一能同时产生c1和c2产物的金属催化剂，受到广泛研究关注。除了催化剂，电解槽的设计优化也尤为重要。受限于co2在水系电解液中的低溶解度和长扩散路径，传统h型电解槽仅适用于实验室规模的电催化剂筛选。为了实现cu催化剂在大电流密度下制备c2产物，以气体扩散电极(gde)为主要组件膜电极电解槽(mea)具有高co2传输和低系统内阻的特点，可以满足工业规模电流密度的需求。近年来，虽然通过利用gde使得电催化过程在工业相关性能方面取得了一定进展。然而，大多数报道的能源效率和反应器稳定性仍不能满足工业化需求，这对gde的设计创新，提出了新的要求。
2、传统的gde电极由三部分构成：第一部分是一个大孔碳纤维纸充当集流器和气体扩散通道；第二部分是碳纸上覆盖的炭黑与聚四氟乙烯混合微孔层，作用是延长co2的停留时间，并通过创建疏水和微孔环境来扩大催化剂与湿润co2接触的三相界面；第三部分是微孔层上涂覆的催化剂层(包含粘结剂)，为二氧化碳转化提供催化活性位点。传统gde的层压式结构具有高导电性和适度渗透性，但缺乏牢固的结合，微孔层/催化剂界面会很快被液体侵蚀，尤其是在大电流电解条件下，导致催化位点与微孔层物理分离、水浸、气体扩散压力大等问题。此外，粘合剂会掩盖活性位点，阻碍co2
3、现有技术存在的问题及缺陷为：目前，制备传统gde过程复杂，成本高，不能进行长期高电流密度测试，难以满足工业化需求。
4、与本专利技术的超疏水janus膜一体化电极制备方法最接近的现有技术是传统的多孔电极制备技术，特别是那些用于能源存储和转换设备(如电池和超级电容器)的技术。这些传统电极通常通过物理或化学方法制备，以增强其电化学性能。然而，尽管它们在多个领域得到了广泛应用，但仍存在一些技术上的限制和挑战。
5、现有技术的技术问题
6、1.有限的疏水性：
7、传统电极材料通常没有专门设计来提高其疏水性能。这导致水分侵入，尤其是在水性或湿润环境下使用时，影响电极的稳定性和寿命。
8、2.结构单一性：
9、多数传统电极的结构比较单一，不具备如janus结构那样的双面功能性。这限制了它们在多功能应用中的潜力。
10、3.高成本生产过程：
11、一些高性能电极的制备工艺复杂且成本较高，比如需要使用稀有材料或复杂的化学合成过程，这限制了它们的大规模应用和商业化。
12、4.环境影响：
13、传统方法中使用的某些化学品和溶剂对环境有害，与当前对环境友好和可持续发展的趋势不符。
14、5.性能与成本的平衡：
15、通常在提高电极性能的同时会增加材料和生产的成本，这使得找到性能与成本之间的最佳平衡成为一个挑战。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种低成本新型超疏水janus膜一体化电极及其制备方法。
2、本专利技术是这样实现的，首先，通过静电纺丝技术获得纤维膜ⅰ，在纤维膜ⅰ的基础之上进行纤维膜ⅱ，制备原始janus纤维膜。然后，原始janus纤维膜在不同气氛下进行高温碳化或杂原子掺杂获得janus膜一体化电极。最后，采用ptfe对janus膜一体化电极进行疏水性调控，获得新型超疏水janus膜一体化电极，该电极既可以做基底材料，又可以作为催化剂，具有自支撑，导电，疏水，透气，催化等功能。
3、本专利技术提供了一种低成本新型超疏水janus膜一体化电极的制备方法，包括以下步骤：
4、步骤一，将有机高分子聚合物溶于有机溶剂或水中，在一定温度下加热促进溶解，制成一定浓度溶液两份或两种，并命名为溶液ⅰ和溶液ⅱ；
5、步骤二，将金属铜盐或纳米颗粒溶解或分散于有机溶剂或水中，并加入到上述溶液ⅰ中，搅拌一定时间，形成纺丝液ⅰ；
6、步骤三，将金属银盐或纳米粒子溶解或分散于有机溶剂或水，并加入到上述溶液ⅱ中，搅拌一定时间，形成纺丝液ⅱ；
7、步骤四，将纺丝液ⅰ加入到注射器中，进行静电纺丝，获得原始纤维膜；
8、步骤五，将纺丝液ⅱ加入到注射器中，在原始纤维膜的基础上进行静电纺丝，获得原始janus膜；
9、步骤六，将原始janus纤维膜置于不同气氛下进行高温碳化或杂原子掺杂，获得janus膜一体化电极；
10、步骤七，将获得的janus膜一体化电极，浸渍在ptfe水溶液中，一定时间后，在惰性气氛下焙烧，获得新型超疏水janus膜一体化电极。
11、进一步，步骤一中的有机高分子聚合物为聚丙烯腈(pan)、聚乙烯醇(pva)、聚酯、聚酰胺或对苯二甲酰对苯二胺等中的一种或几种；有机溶剂n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、氯仿、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、二甲醚、四氢呋喃等中的一种或几种。
12、进一步，步骤一中的有机高分子聚合物和有机溶液或水的的质量比为1:0.5～1:10。
13、进一步，步骤二和步骤三中的金属铜盐和金属银盐为氯酸盐、硝酸盐、乙酰丙酮盐、硫酸盐、乙酸盐、酞菁材料等中的一种或几种；纳米粒子为金属纳米粒子，金属合金，聚甲基丙烯酸甲酯微球(pmma)，聚苯乙烯微球(ps微球)，金属有机骨架(mof)材料等中的一种或几种。
14、进一步，步骤二和步骤三的搅拌时间为2～12h。
15、进一步，步骤四和步骤五中滚筒作为接收器，高压电源提供电压，静电纺丝电压范围为5～30kv之间。
16、进一步，步骤六中的不同气氛包括氨气、氧气、氢气、氮气、h3p气氛等；高温碳化以及杂原子掺杂的温度范围在300℃～2400℃，升温速率为2℃/min，并保温2h，随后自然降温至室温，获得janus膜一体化电极。
17、进一步，步骤七中的ptfe水溶液浓度为0-60wt％，浸渍时间为10min～1440min，惰性气氛为氮气、氩气、氦气等；焙烧温度为200℃～400℃，升温速率2℃～10℃/min，并保持0.5h～2h，自然降温获得新型超疏水janus膜一体化电极。
18、本专利技术的另一目的在于提供一种低成本新型超疏水janus膜一体化电极，所述低成本新型超疏水janus膜一体化电极采用上述的低成本新型超疏水janus膜一体化电极的制备方法制备而成。
19、本专利技术的另一目的在于提供一种低成本新型超疏水janus膜一体化电极在电催化二氧化碳还原领域的应用。
20、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低成本新型超疏水Janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，首先，通过静电纺丝技术获得纤维膜Ⅰ，在纤维膜Ⅰ的基础之上进行纤维膜Ⅱ，制备原始Janus纤维膜；然后，原始Janus纤维膜在不同气氛下进行高温碳化或杂原子掺杂获得Janus膜一体化电极；最后，采用PTFE对Janus膜一体化电极进行疏水性调控，获得新型超疏水Janus膜一体化电极。
2.如权利要求1所述的低成本新型超疏水Janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.如权利要求1所述的低成本新型超疏水Janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，步骤一中的有机高分子聚合物为聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺或对苯二甲酰对苯二胺等中的一种或几种；有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺、氯仿、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、二甲醚、四氢呋喃等中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的低成本新型超疏水Janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，步骤一中的有机高分子聚合物和有机溶液或水的的质量比为1:0.5～1:10。
5.如权利要求1所述的低成本新型超疏水Janus膜一
6.如权利要求1所述的低成本新型超疏水Janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤三的搅拌时间为2～12h；步骤四和步骤五中滚筒作为接收器，高压电源提供电压，静电纺丝电压范围为5～30kV之间。
7.如权利要求1所述的低成本新型超疏水Janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，步骤六中的不同气氛包括氨气、氧气、氢气、氮气、H3P气氛等；高温碳化以及杂原子掺杂的温度范围在300℃～2400℃，升温速率为2℃/min，并保温2h，随后自然降温至室温，获得Janus膜一体化电极。
8.如权利要求1所述的低成本新型超疏水Janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，步骤七中的PTFE水溶液浓度为0-60wt％，浸渍时间为10min～1440min，惰性气氛为氮气、氩气、氦气等；焙烧温度为200℃～400℃，升温速率2℃～10℃/min，并保持0.5h～2h，自然降温获得新型超疏水Janus膜一体化电极。
9.一种低成本新型超疏水Janus膜一体化电极，其特征在于，所述低成本新型超疏水Janus膜一体化电极采用如权利要求1～9任意一项所述的低成本新型超疏水Janus膜一体化电极的制备方法制备而成。
10.一种如权利要求9所述的低成本新型超疏水Janus膜一体化电极在电催化二氧化碳还原领域的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种低成本新型超疏水janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，首先，通过静电纺丝技术获得纤维膜ⅰ，在纤维膜ⅰ的基础之上进行纤维膜ⅱ，制备原始janus纤维膜；然后，原始janus纤维膜在不同气氛下进行高温碳化或杂原子掺杂获得janus膜一体化电极；最后，采用ptfe对janus膜一体化电极进行疏水性调控，获得新型超疏水janus膜一体化电极。
2.如权利要求1所述的低成本新型超疏水janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.如权利要求1所述的低成本新型超疏水janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，步骤一中的有机高分子聚合物为聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺或对苯二甲酰对苯二胺等中的一种或几种；有机溶剂n,n-二甲基甲酰胺、氯仿、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、二甲醚、四氢呋喃等中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的低成本新型超疏水janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，步骤一中的有机高分子聚合物和有机溶液或水的的质量比为1:0.5～1:10。
5.如权利要求1所述的低成本新型超疏水janus膜一体化电极的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤三中的金属铜盐和金属银盐为氯酸盐、硝酸盐、乙酰丙酮盐、硫酸盐、乙酸盐、酞菁材料等中的一种或几种；纳米粒子为金属纳米粒子，金属合金，聚甲基丙烯酸甲酯微球，聚苯乙烯微球，金属有...
【专利技术属性】
技术研发人员：王丽丽，谢洪涛，赵学洋，邓帮为，耿芹，陈思，董帆，李解元，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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