一种催化剂利用率的测试方法技术

技术编号：41266230 阅读：3 留言：0更新日期：2024-05-11 09:22

本发明专利技术提供一种催化剂利用率的测试方法，包括如下步骤：(1)制备膜电极并构建电解槽器件，所述膜电极的阳极催化剂层包含探针元素和标定元素，然后进行电解水老化测试；(2)对电解水老化测试前后阳极催化剂层中至少一个位点的探针元素和标定元素的含量进行测试，然后按照计算催化剂利用率，r<subgt;fresh</subgt;和r<subgt;aged</subgt;分别为电解水老化测试前后阳极催化剂层某一位点探针元素和标定元素的含量比，α<subgt;％</subgt;为阳极催化剂层该位点的催化剂利用率。本发明专利技术测试方法巧妙地对电解水膜电极中阳极催化剂的利用率进行测试，测试方法灵敏度高、准确性好。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学，具体涉及一种催化剂利用率的测试方法。

技术介绍

1、阳极催化层高铱负载量是质子交换膜水电解(proton exchange membrane waterelectrolysis，pemwe)在商业化应用的瓶颈。电解槽作为质子交换膜(proton exchangemembrane，pem)电解水制氢装置的核心组件，其由端板、双极板、气体扩散层、密封垫片、边框以及膜电极等元件通过一定的预紧力组装而成。在电解水制氢过程中，电解槽内部膜电极催化层的电化学反应较为复杂，有效的催化反应活性位点需同时满足电子/质子传导及水气传输，槽内元件的相互匹配性以及电解槽的装配方式等都会极大的影响催化层的反应活性位点，从而影响催化层的利用率。因此，亟需开发一种催化层利用率的评估方法，优化电解槽结构及电解槽核心材料的选择，从而提高催化层的利用率。在实际质子交换膜电解槽(proton exchange membrane electrolysis cell,pemec)中，各部件装配紧密，研究槽内复杂的催化反应过程，测定催化层的利用率是非常困难的。当前已有一些工作通过催化层(catalytic layer,cl)表面电流密度分布或气泡演化来研究催化层表面催化剂的利用率。

2、有学术论文报道(chemie ingenieur technik 2019,91(6),907-918；journal ofpower sources 2022,542；sensors 2023,23(12))利用印刷电路板的方法研究pemec内部电流密度

3、此外，还有学术论文报道(electrochimica acta 2019,298,704-708；acs applmater interfaces 2022,14(7),9002-9012)利用高速光学成像法直接观测氧气气泡的演化区域来研究催化层表面的利用率。该方法将具有规则孔径的钛片多孔传输层(titaniumporous transport layer,ptl)引入pemec中，并利用高速摄像机获取pemec内部气泡演化区域，得到催化剂利用率最高的区域为ptl与cl的边界。虽然该方法的分辨率达到微米级水平，但ptl与cl接触区域并不能被观测到，从而该方法并不能获得cl表面整体催化剂利用率信息。因此，该方法难以深入、定量、全面了解pemec内部催化层利用率，对pemec各部件的材料选择、结构设计及装配条件的指导是不足的。综上所述，如何能够找到一种催化剂利用率的测试方法以能够对催化剂层表面任何位置的催化剂利用率进行深入、定量、全面的测试是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本专利技术提供一种催化剂利用率的测试方法，目的是能够对电解水膜电极中催化剂的利用率进行定量、全面的测试分析。

2、本专利技术提供一种催化剂利用率的测试方法，其中包括如下步骤：

3、(1)制备膜电极并构建电解槽器件，所述膜电极的阳极催化剂层包含探针元素和标定元素，然后进行电解水老化测试；

4、(2)对电解水老化测试前后阳极催化剂层中至少一个位点的探针元素和标定元素的含量进行测试，然后按照下式计算催化剂利用率：

5、

6、其中，rfresh和raged分别为电解水老化测试前后阳极催化剂层某一位点探针元素和标定元素的含量比，α％为阳极催化剂层该位点的催化剂利用率。

7、有益效果：

8、本专利技术测试方法巧妙地对电解水膜电极中阳极催化剂的利用率进行测试，通过标定元素对探针元素的含量进行标定，测试方法灵敏度高、准确性好，经测试方法对不同位点的催化剂利用率测试的结果能为膜电极的制备、电解槽的组装以及工况条件的选取等给出有价值的指导，以提高电解水过程中催化剂的利用率。

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【技术保护点】

1.一种催化剂利用率的测试方法，其中包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的测试方法，其中，所述膜电极还包括铺设于所述阳极催化剂层表面的多孔传输层；

3.根据权利要求1所述的测试方法，其中，步骤(1)中，电解水老化测试时的电位为1.45～2.5v；

4.根据权利要求1所述的测试方法，其中，所述探针元素和所述标定元素的含量采用扫描电子显微镜和/或能量色散X射线光谱测得。

5.根据权利要求1～4任一项所述的测试方法，其中，所述探针元素和所述标定元素在所述阳极催化剂层中以氧化物存在，所述探针元素为Ru，所述标定元素选自Ir和/或Ti；并且，

6.根据权利要求1～4任一项所述的测试方法，其中，所述探针元素和所述标定元素在所述阳极催化剂层中以合金形式存在，所述探针元素选自Ru和/或Ir，所述标定元素为Ti；并且，

7.根据权利要求1～4任一项所述的测试方法，其中，步骤(1)中进行电解水老化测试之前，所述阳极催化剂层中所述探针元素和所述标定元素的总载量为0.2～1mg/cm2，优选为0.45～0.55mg/cm2。>

8.根据权利要求1～4任一项所述的测试方法，其中，所述阳极催化剂层还包括第一Nafion，所述阳极催化剂层中所述探针元素和所述标定元素的总重量与第一Nafion的重量比为100：(10～25)。

9.根据权利要求1～4任一项所述的测试方法，其中，步骤(1)中所述膜电极还包括阴极催化剂层，所述阴极催化剂层包括阴极催化剂和第二Nafion；

10.根据权利要求1～4任一项所述的测试方法，其中，所述电解槽器件选自质子交换膜电解槽或阴离子交换膜电解槽。

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【技术特征摘要】

1.一种催化剂利用率的测试方法，其中包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的测试方法，其中，所述膜电极还包括铺设于所述阳极催化剂层表面的多孔传输层；

3.根据权利要求1所述的测试方法，其中，步骤(1)中，电解水老化测试时的电位为1.45～2.5v；

4.根据权利要求1所述的测试方法，其中，所述探针元素和所述标定元素的含量采用扫描电子显微镜和/或能量色散x射线光谱测得。

5.根据权利要求1～4任一项所述的测试方法，其中，所述探针元素和所述标定元素在所述阳极催化剂层中以氧化物存在，所述探针元素为ru，所述标定元素选自ir和/或ti；并且，

6.根据权利要求1～4任一项所述的测试方法，其中，所述探针元素和所述标定元素在所述阳极催化剂层中以合金形式存在，所述探针元素选自ru和/...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶华冰，潘亚苹，温琳蕊，刘翰，庄鑫隆，刘家伟，郑南峰，
申请(专利权)人：嘉庚创新实验室，
类型：发明
国别省市：

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