【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包括基材片和催化剂材料的催化剂片，特别是用于例如质子交换膜水电解器和/或阴离子交换膜水电解器的催化剂片。引言离子交换膜反应器广泛应用于电化学反应。例如，作为一项很有前途的化学存储电能的技术，在质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器中通过水分解产生氢气受到了广泛关注。在离子交换膜反应器中，在导电离子交换膜和多孔传输层(ptl)之间通常放置有催化剂层(cl)。这样的催化剂层和多孔传输层可以存在于离子交换膜反应器的阳极侧，也可以存在于离子交换膜反应器的阴极侧，或者存在于两侧。已知的催化剂层通常是作为膜上的涂层提供的，通常是通过在离子传导膜上沉积催化剂油墨(ink)来提供催化剂涂覆膜。催化剂油墨包括与粘结剂混合的催化剂纳米颗粒。粘结剂例如是离聚物。因此，这样的催化剂层包括催化剂纳米颗粒，催化剂纳米颗粒彼此之间电接触以及与多孔传输层(ptl)电接触，并且与膜离子接触。为了稳定和/或将纳米颗粒保持在适当的位置，可以使用离聚物，离聚物在催化剂层内起到粘结剂和离子导体的作用，从而保持不同纳米颗粒之间、纳米颗粒与多孔传输层之间的电接触，以及纳米颗粒与膜之间的离子接触。通常使用基于全氟磺酸(pfsa)的离聚物，例如nafiontm作为离聚物。然而，用作离子导体和粘结剂的这些离聚物(例如nafiontm)会覆盖或部分覆盖催化剂纳米颗粒，从而减少可接触的催化剂表面。此外，离聚物和/或粘结剂会降低多孔催化剂层的孔隙率，这对反应物和产物的传质都有负面影响。阳极和阴极侧催化剂层都可能出现这个问题。另一个问题是，在催化剂负载量较低的情况下，催化剂纳米颗粒会形成分离的团
技术介绍
技术实现思路
1、本专利技术的第一方面涉及一种催化剂片，特别是用于质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器的催化剂片，其包括基材片和沉积的催化剂材料，其中基材片是多孔且导电的，并且其中催化剂材料以薄膜或薄膜贴片(patch)的形式沉积在基材片的内表面和/或外表面上。优选地，沉积的催化剂材料的大部分，优选60重量％或更多，以50μm或更小的孔深度沉积在基材的内表面上。优选地，催化剂片优选是自支撑的(self-supporting)。
2、本专利技术还涉及一种用于电化学反应器的膜电极组件，其包括离子交换膜和相邻的催化剂层，其中所述催化剂层被提供为根据本专利技术的催化剂片；优选进一步包括多孔传输层。
3、本专利技术还涉及离子交换膜水电解器，特别是质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其包括阳极、阴极、质子交换膜或阴离子交换膜，在质子交换膜或者阴离子交换膜的每一侧的催化剂层和多孔传输层以及通常地双极板，其中催化剂层中的至少一个被提供为根据本专利技术的催化剂片。
4、本专利技术还涉及在本专利技术的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器中进行的氢气生产方法，该方法包括向质子交换膜每一侧的催化剂层提供水并在阳极和阴极之间施加电压。
5、本专利技术还涉及制造根据本专利技术的催化剂片的方法，该方法包括：生产和/或提供多孔且导电的基材片；以及在基材片的内表面和/或外表面上沉积催化剂材料的薄膜或薄膜贴片。
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1.一种催化剂片，特别是用于质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器的催化剂片，其包括基材片和沉积的催化剂材料，其中所述基材片是多孔且导电的，并且其中所述催化剂材料以薄膜或薄膜贴片的形式沉积在所述基材片的内表面和/或外表面上，其中所述催化片优选为自支撑的。
2.如权利要求1所述的催化剂片，其中使用透射电子显微镜测量，所述薄膜和/或薄膜贴片的平均厚度为5nm或更小，优选为2nm或更小。
3.如权利要求1或2所述的催化剂片，其具有100μg/cm2或更少，优选50μg/cm2或更少，更优选20μg/cm2或更少的催化剂材料负载量。。
4.如前述权利要求中任一项所述的催化剂片，其中所述沉积的催化剂材料的大部分，优选60重量％或更多，以50μm或更小的孔深度沉积在所述基材的内表面上。
5.如前述权利要求中任一项所述的催化剂片，其中催化剂材料总量的80重量％或更多，优选90重量％或更多，更优选95重量％或更多，以0.10-20μm的孔深度沉积在所述基材片的内表面上。
6.如前述权利要求中任一项所述的催化剂片，其中所述基材由金属纤维
7.一种用于电化学反应器的膜电极组件(1)，其包括离子交换膜(2)和相邻的催化剂层，其中所述催化剂层被提供为权利要求1-6中任一项所述的催化剂片(3)；优选进一步包括多孔传输层(4)。
8.如权利要求7所述的膜电极组件，其中所述催化剂片(3)包括催化剂层(5)和多孔传输层(6)。
9.如权利要求7或8所述的膜电极组件，其中所述催化剂片(3)与膜(2)直接接触。
10.一种质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其包括阳极、阴极、质子交换膜或阴离子交换膜，在所述质子交换膜或者阴离子交换膜的每一侧的催化剂层和多孔传输层以及双极板，其中所述催化剂层中的至少一个被提供为权利要求1-6中任一项所述的催化剂片；包括所述基材片和所述沉积的催化剂材料，并且其中，任选地，所述多孔传输层也提供为所述催化剂片的基材。
11.如权利要求10所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述基材片包括选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、W、Cr、V、Mo及其氧化物、硼化物和碳化物中的一种或多种。
12.如权利要求10或11所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述催化剂材料包括铱和/或氧化铱。
13.如权利要求10-12中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述薄膜或薄膜贴片各自具有沿着所述基板片的表面延伸并且彼此垂直的长度方向和宽度方向，以及垂直于所述长度方向和所述宽度方向的厚度方向，其中，薄膜或薄膜贴片的长度和宽度彼此独立地比薄膜或薄膜贴片的厚度高至少2倍，优选高至少5倍。
14.如权利要求10-13中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，使用透射电子显微镜测量，所述薄膜或薄膜贴片各自具有5nm或更小、优选2nm或更小的厚度。
15.如权利要求10-14中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述催化剂材料的大部分以＞0.10μm的孔深度沉积在所述基材片的内表面上。
16.如权利要求10-15中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中催化剂材料总量的80重量％或更多，优选90重量％或更多，更优选95重量％或更多，以0.10-20μm的孔深度沉积在所述基材片的内表面上。
17.如权利要求10-16中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述催化剂片包含相对于所述催化剂片的总重量的小于5重量％，优选小于1.0重量％的离聚物，其中所述催化剂片更优选基本上不含离聚物。
18.如权利要求10-17中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，相对于所述催化剂片的总重量的95重量％或更多，优选97重量％或更多，更优选99重量％或更多是金属、金属合金和/或金属氧化物。
19.如权利要求10-18中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述基材片的孔的平均直径为150μm或更小，优选为50μm或更小。
20.如权利要求10-19中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中所述基材片具有膜侧和相对侧，并且其中所述基板片具有孔梯度和/或梯度孔，在基材片的膜侧的平均孔径小于在基材片的相对侧的平均孔径。
21.如权利要求10-20中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种催化剂片，特别是用于质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器的催化剂片，其包括基材片和沉积的催化剂材料，其中所述基材片是多孔且导电的，并且其中所述催化剂材料以薄膜或薄膜贴片的形式沉积在所述基材片的内表面和/或外表面上，其中所述催化片优选为自支撑的。
2.如权利要求1所述的催化剂片，其中使用透射电子显微镜测量，所述薄膜和/或薄膜贴片的平均厚度为5nm或更小，优选为2nm或更小。
3.如权利要求1或2所述的催化剂片，其具有100μg/cm2或更少，优选50μg/cm2或更少，更优选20μg/cm2或更少的催化剂材料负载量。。
4.如前述权利要求中任一项所述的催化剂片，其中所述沉积的催化剂材料的大部分，优选60重量％或更多，以50μm或更小的孔深度沉积在所述基材的内表面上。
5.如前述权利要求中任一项所述的催化剂片，其中催化剂材料总量的80重量％或更多，优选90重量％或更多，更优选95重量％或更多，以0.10-20μm的孔深度沉积在所述基材片的内表面上。
6.如前述权利要求中任一项所述的催化剂片，其中所述基材由金属纤维布组成，并且其中所述催化剂材料包含铱和/或氧化铱。
7.一种用于电化学反应器的膜电极组件(1)，其包括离子交换膜(2)和相邻的催化剂层，其中所述催化剂层被提供为权利要求1-6中任一项所述的催化剂片(3)；优选进一步包括多孔传输层(4)。
8.如权利要求7所述的膜电极组件，其中所述催化剂片(3)包括催化剂层(5)和多孔传输层(6)。
9.如权利要求7或8所述的膜电极组件，其中所述催化剂片(3)与膜(2)直接接触。
10.一种质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其包括阳极、阴极、质子交换膜或阴离子交换膜，在所述质子交换膜或者阴离子交换膜的每一侧的催化剂层和多孔传输层以及双极板，其中所述催化剂层中的至少一个被提供为权利要求1-6中任一项所述的催化剂片；包括所述基材片和所述沉积的催化剂材料，并且其中，任选地，所述多孔传输层也提供为所述催化剂片的基材。
11.如权利要求10所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述基材片包括选自ti、zr、hf、v、nb、ta、w、cr、v、mo及其氧化物、硼化物和碳化物中的一种或多种。
12.如权利要求10或11所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述催化剂材料包括铱和/或氧化铱。
13.如权利要求10-12中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述薄膜或薄膜贴片各自具有沿着所述基板片的表面延伸并且彼此垂直的长度方向和宽度方向，以及垂直于所述长度方向和所述宽度方向的厚度方向，其中，薄膜或薄膜贴片的长度和宽度彼此独立地比薄膜或薄膜贴片的厚度高至少2倍，优选高至少5倍。
14.如权利要求10-13中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，使用透射电子显微镜测量，所述薄膜或薄膜贴片各自具有5nm或更小、优选2nm或更小的厚度。
15.如权利要求10-14中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述催化剂材料的大部分以＞0.10μm的孔深度沉积在所述基材片的内表面上。
16.如权利要求10-15中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中催化剂材料总量的80重量％或更多，优选90重量％或更多，更优选95重量％或更多，以0.10-20μm的孔深度沉积在所述基材片的内表面上。
17.如权利要求10-16中任一项所述的质子交换膜水电解器或阴离子交换膜水电解器，其中，所述催化剂片包含相对于所述催化剂片的总重量的小于5重量％，优选小于1.0重量％的离聚物，其中所述催化剂片更优选基本上不含离聚物。
18.如权利要求10-17中任一项...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·P·希尔瓦尼安，
申请(专利权)人：荷兰应用自然科学研究组织TNO，
类型：发明
国别省市：
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