【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氧气氮气制备领域，特别涉及一种质子交换膜电化学制氧制氮膜电极的制备方法。
技术介绍
1、氧气不仅是许多生命体维持生命必须的物质，也是现代社会不可或缺的工业原料。氧气在如冶金、化工等工业领域、治疗呼吸系统疾病的医疗领域和家庭保健领域都有应用。工业上规模制氧的方法主要有两种，分别是变压吸附法和深冷分离法，对于家用等小场景应用而言，虽然深冷分离具有产品纯度高、能量消耗低和可同时产出副产品等优势，但受限于投资及工艺条件，规模效应对成本影响很大，无法小型化；变压吸附分离虽然可以小型化，但系统比较复杂，运行噪音大且产品纯度偏低。化学制氧法虽然不受设备尺寸的限制，但其原材料往往带有强氧化性，在运输、使用时都可能发生危险。
2、电化学制氧是一种与pem水电解相似的制氧手段。在阴极侧通入带压空气，在电位差的作用下，阴极发生氧还原反应，消耗空气中的氧气，阳极发生氧析出反应，生成高纯度的氧气。该制氧方式在结构简单、规模适应性强的同时，由于不产生氢气，且无需使用带有危险性的化学试剂，相较于化学制氧更安全。同时，由于空气侧的氧气被消耗，剩余气体以氮气为主，在合适的空气流量下可同时产出低纯度氮气，可供部分情景使用或进一步提纯。电化学制氧过程作为燃料电池发电过程的逆反应，其催化剂同样适用于燃料电池反应催化，因此其膜电极也往往可以用作燃料电池膜电极。
技术实现思路
1、本专利技术主要是提出一种质子交换膜电化学质制氧制氮膜电极的制备方法，旨在提供一种应用于制氧机或制氮机并可同时作为燃料电池
2、本专利技术解决了电化学制氧制氮过程中运行电流密度低、生产效率低的问题。本专利技术采用喷涂法制备膜电极的阳极和阴极，阳极为铱基催化剂，阴极为铂基催化剂，可以实现1.4v@1a/cm2电流密度下的运行。所专利技术的膜电极制备方法具有操作方法简单、电极结构均匀的特点，可实现pem电化学制氧制氮的小型化、低成本及高效稳定运行。在制氧的同时，可伴随产生浓度达90％以上的低纯度氮气，可直接进行利用或在进一步提纯后加以利用。同时，由于该膜电极与燃料电池膜电极具有相同的结构并且催化层包含燃料电池催化剂，可作为燃料电池膜电极使用。
3、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
4、一种质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，所述膜电极包括阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层。
5、所述一种质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，制备阳极催化层所用的浆料包括以下成分：阳极催化剂、分散溶剂、疏水剂、造孔剂和全氟磺酸溶液
6、所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于：所述阳极催化剂为铂、铱的纳米单质、合金或氧化物中的一种或多种。
7、所述一种质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，制备阴极催化层所用的浆料包括以下成分：阴极催化剂、分散溶剂、疏水剂、造孔剂和全氟磺酸溶液。
8、所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于：所述阴极催化剂为pt基催化剂。
9、所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极浆料，其特征在于：所述分散溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇和正丙醇中的一种或多种。
10、所述的制备阳极/阴极催化层所用的浆料，其特征在于：所述疏水剂为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、氟化乙烯丙烯中的一种或几种。
11、所述的制备阳极/阴极催化层所用的浆料，其特征在于：所述造孔剂为草酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵中的一种或多种。
12、优选地，阳极催化层浆料的制备包括以下步骤：称取一定质量的催化剂，加入分散溶剂水和醇，溶剂质量为催化剂的50～150倍，水和醇质量比为2:1～1:2，加入5％～20％的nafion溶液，nafion的质量为催化剂质量的1/15～1/5，加入疏水剂，疏水剂的质量为为催化剂质量的1/60～1/10，加入造孔剂，造孔剂的质量为为催化剂质量的1/50～1/10，超声5～30min，超声5～30min，使用分散机以10～30krpm的转速分散0.5～2h。
13、优选地，阴极催化层浆料的制备包括以下步骤：称取一定质量的催化剂，加入分散溶剂水和醇，溶剂质量为催化剂的30～100倍，水和醇质量比为2:1～1:2，加入疏水剂，疏水剂的质量为为催化剂质量的1/60～1/10，加入造孔剂，造孔剂的质量为为催化剂质量的1/50～1/10，超声5～30min，搅拌5～30min，超声5～30min，加入5％～20％的nafion溶液，nafion的质量为催化剂质量的1/8～1/3，搅拌5～30min，超声5～30min。
14、所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：在所述质子交换膜的一侧喷涂阳极催化剂浆料，在另一侧喷涂阴极催化剂浆料，之后干燥。
15、所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极的制备方法，其特征在于：阳极催化剂铱担载量为0.4～2mg·cm-2，阴极催化剂铂担载量为0.2～0.5mg·cm-2。
16、所述的质子交换膜电化学质制氧制氮膜电极的应用，其特征在于：用于pem电化学制氧制氮过程。
17、优选地，喷涂过程在负压式的热台上进行，温度为60～90℃，利用喷涂台上的负压将膜吸附在喷涂台表面以保证膜表面的平整。喷涂设备使用超声喷涂仪，将一定量的阴极浆料和阳极浆料分别喷涂于质子交换膜两侧。
18、本专利技术相较于现有技术，能够在更高的电流密度下运行。本专利技术能够提高运行时的电流密度至1a/cm2@1.4v，不仅能够减少能量的消耗，提升能量利用率，同时允许反应系统以更密集的结构、更小的空间布置，提升设备的便携性。
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1.一种质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述膜电极包括阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层。
2.根据权利要求1所述质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，制备阳极催化层所用的浆料包括以下成分：阳极催化剂、分散溶剂、疏水剂、造孔剂和全氟磺酸溶液。
3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述阳极催化剂为铂、铱的纳米单质、合金或氧化物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述一种质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，制备阴极催化层所用的浆料包括以下成分：阴极催化剂、分散溶剂、疏水剂、造孔剂和全氟磺酸溶液。
5.根据权利要求1或4所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述阴极催化剂为Pt基催化剂。
6.根据权利要求2或4所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述分散溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇和正丙醇中的一种或多种。
7.根据权利要求2或4所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述疏水剂为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、氟化乙烯
8.根据权利要求2或4所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述造孔剂为草酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵中的一种或多种。
9.根据权利要求2所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述阳极催化层所用浆料的制备方法包括以下步骤：称取一定质量的催化剂，加入分散溶剂水和醇，溶剂质量为催化剂的20～150倍，水和醇质量比为2:1～1:2，加入5％～20％的nafion溶液，Nafion的质量为催化剂质量的1/15～1/3，加入疏水剂，疏水剂的质量为为催化剂质量的1/60～1/10，加入造孔剂，造孔剂的质量为为催化剂质量的1/50～1/10，超声5～30min，使用分散机以10～30krpm的转速分散0.5～2h。
10.根据权利要求4所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述阴极催化层所用浆料的制备方法包括以下步骤：称取一定质量的催化剂，加入分散溶剂水和醇，溶剂质量为催化剂的10～100倍，乙醇和异丙醇质量比为2:1～1:2，加入疏水剂，疏水剂的质量为为催化剂质量的1/60～1/10，加入造孔剂，造孔剂的质量为为催化剂质量的1/50～1/10，超声5～30min，搅拌5～30min，超声5～30min，加入5％～20％的Nafion溶液，Nafion的质量为催化剂质量的1/10～1/2，搅拌5～30min，超声5～30min。
11.一种如权利要求1所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：在所述质子交换膜的一侧喷涂阳极催化剂浆料，在另一侧喷涂阴极催化剂浆料，之后干燥。
12.权利要求11所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极的制备方法，其特征在于，所述阳极催化剂铱担载量为0.4～4mg·cm-2，阴极催化剂铂担载量为0.2～0.5mg·cm-2。
13.一种如权利要求1-10任意一项所述的质子交换膜电化学质制氧制氮膜电极和/或如权利要求11-12任意一项所述的质子交换膜电化学质制氧制氮膜电极的制备方法制得的质子交换膜电化学质制氧制氮膜电极在PEM电化学制氧制氮过程中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述膜电极包括阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层。
2.根据权利要求1所述质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，制备阳极催化层所用的浆料包括以下成分：阳极催化剂、分散溶剂、疏水剂、造孔剂和全氟磺酸溶液。
3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述阳极催化剂为铂、铱的纳米单质、合金或氧化物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述一种质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，制备阴极催化层所用的浆料包括以下成分：阴极催化剂、分散溶剂、疏水剂、造孔剂和全氟磺酸溶液。
5.根据权利要求1或4所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述阴极催化剂为pt基催化剂。
6.根据权利要求2或4所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述分散溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇和正丙醇中的一种或多种。
7.根据权利要求2或4所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述疏水剂为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、氟化乙烯丙烯中的一种或几种。
8.根据权利要求2或4所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述造孔剂为草酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵中的一种或多种。
9.根据权利要求2所述的质子交换膜电化学制氧制氮膜电极，其特征在于，所述阳极催化层所用浆料的制备方法包括以下步骤：称取一定质量的催化剂，加入分散溶剂水和醇，溶剂质量为催化剂的20～150倍，水和醇质量比为2:1～1:2，加入5％～20％的nafion溶液，na...
【专利技术属性】
技术研发人员：李晓锦，刘广歆，刘文奇，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：
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