專利名稱：一種電解水的復合膜電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電解水的復合膜電極制造方法，屬于電化學技術(shù)領(lǐng)域。
在本發(fā)明之前，采用復合膜電極的專利有CN86108792A、86108928、97122126。專利CN86108792A所描述的固體聚合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含一塊膜片、許多導電顆粒及一塊導電性透水基體結(jié)構(gòu)，其中導電顆粒和導電基體以物理和化學方式互相接觸并嵌入膜片中或與膜片結(jié)合在一起。專利CN86108792A形成復合膜電極的方法為(1)形成一種由粘合劑和許多催化活性導電顆粒組成的混合物；(2)將該混合物制成含顆粒的薄膜；(3)使薄膜與處于熱塑狀態(tài)的碳氟化合物膜片相接觸；(4)使含顆粒的薄膜與導電透水基體相接觸，以此形成一種層壓體，其中膜片在一側(cè)，基體在另一側(cè)，許多催化活性顆粒在中間；(5)在膜片處于熱塑狀態(tài)下對層壓體施加足夠大的壓力，使基體至少有一部分嵌入膜片中。專利申請86108928所述的復合膜電極形成方法為(1)形成一種由催化活性導電顆粒和一種液體組成的懸濁液；(2)將懸濁液涂在化合物膜片的表面上；(3)除去液體使顆粒留在膜片上；(4)將至少一部分顆粒壓入膜片中；(5)使處理過的膜片與一種導電透水基體相接觸。專利申請97122126所述方法為(1)使用粘合劑聚四氟乙烯乳液與催化劑顆粒制成混合物；(2)將混合物攪拌、搟壓制成膜；(3)將陽極基體涂敷含鉑、錫、銻溶液進行熱分解形成保護膜；(4)將各層以物理接觸方式直接裝配而成。上述專利CN86108792A、專利申請86108928中復合膜電極結(jié)構(gòu)中導電透水基體未做表面處理，發(fā)生電解反應時，對導電透水基體腐蝕大；專利申請86108928的涂層細微內(nèi)孔少，反應表面積小，效率較低，涂層后質(zhì)子交換膜易變形，工藝控制較難。專利申請97122126所述的方法中陽極基體處理方法不夠完善，壽命較短；對電極的組裝操作要求高，難以保證穩(wěn)定的性能。以上各專利均有接觸電阻大，復合膜電極壽命短，且工作電壓高、能耗大、發(fā)熱大等缺點。
本發(fā)明的目的在于改進上述已有復合膜電極結(jié)構(gòu)的不足，提供一種復合膜電極制造方法。該電極具有長壽命、小接觸電阻、高效率、性能穩(wěn)定、低能耗。
實現(xiàn)本發(fā)明目的所采取的技術(shù)措施是本發(fā)明的復合膜電極由質(zhì)子交換膜、導電顆粒組成的催化層、導電透水基體組成，其制造方法包括(1)在一種耐腐導電透水基體表面涂敷含有鉑、鈀、釕、鉭和錫等可熱分解的化合物的溶液，在空氣中熱分解多次，形成第一層；將形成第一層的導電透水基體作陽極，在含有鉛離子的酸浴液中電解，在導電透水基體內(nèi)孔及一側(cè)外表面和四周形成β-二氧化鉛電沉積層，制成陽極耐腐基體；(2)將β-二氧化鉛導電催化顆粒與全氟離子交換聚合物溶液和耐氧化粘接劑制成懸濁液或膏狀物；(3)將β-二氧化鉛懸濁液或膏狀物均勻涂敷或碾壓在電沉積有β-二氧化鉛陽極耐腐基體的一側(cè)，烘干形成陽極；(4)用富勒烯(Fulerene)/鉑/鈀或鉑黑導電催化顆粒與全氟離子交換聚合物溶液和耐氧化粘接劑制成懸濁液或膏狀物；(5)將富勒烯(Fulerene)/鉑/鈀或鉑黑懸濁液或膏狀物均勻噴涂或碾壓在陰極導電透水基體的一側(cè)，烘干形成陰極；
(6)在陰極、陽極涂有導電催化顆粒的一側(cè)，均勻噴涂或浸潤一層全氟離子交換聚合物溶液并烘干，將陰極噴或浸有全氟離子交換聚合物溶液的一側(cè)與質(zhì)子交換膜的一側(cè)相接觸，將陽極噴或浸有全氟離子交換聚合物溶液的一側(cè)與質(zhì)子交換膜的另一側(cè)相接觸，形成組合件；(7)使該組合件在加熱及壓力作用下，導電催化顆粒嵌入導電透水基體的微孔內(nèi)，同時嵌入質(zhì)子交換膜中，形成復合膜電極。
由于采用以上技術(shù)措施，按照本發(fā)明方法制造的電解水的復合膜電極、導電透水基體與導電催化顆粒接觸面積大，陽極導電催化顆粒與β-二氧化鉛陽極電沉積層相接觸，接觸電阻小、壽命長、能耗降低，陽極燒結(jié)第一層、陰極導電催化顆粒鉑含量低，降低了成本。由于導電顆粒組成的催化層嵌入導電透水基體，電解反應界面接近導電透水基體外表面，電解產(chǎn)物能夠迅速逸出，同時減小了對導電透水基體與導電顆粒組成的催化層的接觸面的腐蝕，延長了固體聚合物電解質(zhì)復合膜電極的壽命。由于陰極采用了富勒烯(Fulerene)，鉑及鈀原子簇嵌入富勒烯(Fulerene)分子之間形成的立方體結(jié)構(gòu)中，增大了有效反應面積，并且鉑及鈀原子簇無法自由遷移，延長了電極壽命。由于加入了離子聚合物溶液，增加了質(zhì)子通道，增大了電極活性面積，提高了催化劑利用率。
下面結(jié)合示意圖和實施例對本發(fā)明進一步闡述

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-β-二氧化鉛電沉積層，2-陽極導電透水基體，3-β-二氧化鉛導電催化顆粒，4-全氟離子交換聚合物涂層，5-質(zhì)子交換膜，6-鉑黑導電催化顆粒，7-陰極導電透水基體。
實施例1采用1毫米厚的多孔鈦板作為導電透水基體，用沸騰的25％鹽酸水溶液清洗3分鐘。然后以該多孔鈦板為基質(zhì)，把氯鉑酸和五氯化鉭溶解于5％的鹽酸溶液中作為涂敷層，在45攝氏度下干燥，570攝氏度加熱10分鐘，重復4次，以形成第一層。將該多孔鈦板在30％硝酸鉛的酸性溶液中作電解，在60到70攝氏度用45mA/cm2的電流密度電解2.5分鐘，得到陽極耐腐基體。將β-二氧化鉛導電催化顆粒與全氟離子交換聚合物溶液和耐氧化粘接劑制成懸濁液，其中耐氧化粘接劑PTFE占催化劑重量的0.9％，將β-二氧化鉛懸濁液均勻涂敷在電沉積有β-二氧化鉛陽極的一側(cè)，60攝氏度烘干形成陽極，其中離子交換活性聚合物含量為1mg/cm2；將富勒烯(Fulerene)/鉑導電催化顆粒與全氟離子交換聚合物溶液和耐氧化粘接劑制成懸濁液；其中耐氧化粘接劑PTFE占催化劑重量的16％，將富勒烯(Fulerene)/鉑懸濁液均勻噴涂在陰極導電透水基體的一側(cè)，50攝氏度烘干形成陰極，其中離子交換活性聚合物含量為1mg/cm2；在陰極、陽極涂有導電催化顆粒的一側(cè)，均勻噴涂一層全氟離子交換聚合物溶液(0.5mg/cm2)，將陰極噴有全氟離子交換聚合物溶液的一側(cè)與質(zhì)子交換膜的一側(cè)相接觸，將陽極噴有全氟離子交換聚合物溶液的一側(cè)與質(zhì)子交換膜的另一側(cè)相接觸，形成組合件；使該組合件在加熱60攝氏度及30kg/cm2壓力下作用1分鐘，導電催化顆粒部分嵌入導電透水基體的微孔內(nèi)，同時導電催化顆粒也部分嵌入質(zhì)子交換膜中，形成復合膜電極。
實施例2
采用1毫米厚的多孔鈦板作為導電透水基體，用沸騰的20％鹽酸水溶液清洗3.5分鐘。然后以該多孔鈦板為基質(zhì)，把氯鉑酸和氯化鈀、氯化錫溶解于含5％的鹽酸的正丁醇溶液中作為涂敷層，在130攝氏度下干燥，540攝氏度加熱15分鐘，重復4次，并將該制件在500攝氏度燒結(jié)固化一小時，以形成第一層。將該多孔鈦板在35％硝酸鉛的酸性溶液中作電解，在60到70攝氏度用40mA/cm2的電流密度電解3分鐘，得到陽極極板。將β-二氧化鉛導電催化顆粒與全氟離子交換聚合物溶液和耐氧化粘接劑在水中制成膏狀物，其中耐氧化粘接劑PTFE占催化劑重量的0.8％，將β-二氧化鉛膏狀物均勻碾壓在電沉積有β-二氧化鉛陽極的一側(cè)，60攝氏度烘干形成陽極，其中離子交換活性聚合物含量為0.8mg/cm2；將鉑黑導電催化顆粒與全氟離子交換聚合物溶液和耐氧化粘接劑制成膏狀物；其中耐氧化粘接劑PTFE占催化劑重量的18％，將鉑黑膏狀物均勻碾壓在陰極導電透水基體的一側(cè)，60攝氏度烘干形成陰極，其中離子交換活性聚合物含量為0.8mg/cm2；在陰極、陽極涂有導電催化顆粒的一側(cè)，均勻浸潤一層全氟離子交換聚合物溶液(0.6mg/cm2)，將陰極浸有全氟離子交換聚合物溶液的一側(cè)與質(zhì)子交換膜的一側(cè)相接觸，將陽極浸有全氟離子交換聚合物溶液的一側(cè)與質(zhì)子交換膜的另一側(cè)相接觸，形成組合件；使該組合件在加熱70攝氏度及35kg/cm2壓力下作用0.5分鐘，導電催化顆粒嵌入導電透水基體的微孔內(nèi)，同時嵌入質(zhì)子交換膜中，形成復合膜電極。本發(fā)明制造的電解水的復合膜電極，接觸電阻小、壽命長、能耗降低。
權(quán)利要求
1.一種電解水的復合膜電極，由質(zhì)子交換膜、導電顆粒組成的催化層、導電透水基體組成，其制造方法包括(1)在一種耐腐導電透水基體表面涂敷含有鉑、鈀、釕、鉭和錫等可熱分解的化合物的溶液，在空氣中熱分解多次，形成第一層；將形成第一層的導電透水基體作陽極，在含有鉛離子的酸浴液中電解，在導電透水基體內(nèi)孔及一側(cè)外表面和四周形成β-二氧化鉛電沉積層，制成陽極耐腐基體；(2)將β-二氧化鉛導電催化顆粒與全氟離子交換聚合物溶液和耐氧化粘接劑制成懸濁液或膏狀物；(3)將β-二氧化鉛懸濁液或膏狀物均勻涂敷或碾壓在電沉積有β-二氧化鉛陽極耐腐基體的一側(cè)，烘干形成陽極；(4)用富勒烯(Fulerene)/鉑/鈀或鉑黑導電催化顆粒與全氟離子交換聚合物溶液和耐氧化粘接劑制成懸濁液或膏狀物；(5)將富勒烯(Fulerene)/鉑/鈀或鉑黑懸濁液或膏狀物均勻噴涂或碾壓在陰極導電透水基體的一側(cè)，烘干形成陰極；(6)在陰極、陽極涂有導電催化顆粒的一側(cè)，均勻噴涂或浸潤一層全氟離子交換聚合物溶液并烘干，將陰極噴或浸有全氟離子交換聚合物溶液的一側(cè)與質(zhì)子交換膜的一側(cè)相接觸，將陽極噴或浸有全氟離子交換聚合物溶液的一側(cè)與質(zhì)子交換膜的另一側(cè)相接觸，形成組合件；(7)使該組合件在加熱及壓力作用下，導電催化顆粒嵌入導電透水基體的微孔內(nèi)，同時嵌入質(zhì)子交換膜中，形成復合膜電極。
2.按權(quán)利要求1所述的一種電解水的復合膜電極的制造方法，其特征在于所述懸濁液或膏狀物，其中催化劑5～80％、離子交換活性聚合物0.1～15％、耐氧化粘接劑0.1～1％、水及溶劑5～90％(重量比)，
3.按權(quán)利要求1所述的一種電解水的復合膜電極的制造方法，其特征在于一種耐腐導電透水基體選自于金屬絲網(wǎng)，多孔金屬板，厚度為0.5～2mm，
4.按權(quán)利要求1所述的一種電解水的復合膜電極的制造方法，其特征在于陽極導電催化顆粒含有1～20％的α-二氧化鉛。
5.按權(quán)利要求1所述的一種電解水的復合膜電極的制造方法，其特征在于催化層中含有離子交換活性聚合物，離子交換活性聚合物含量為0.2～2毫克/平方厘米。
6.按權(quán)利要求1所述的一種電解水的復合膜電極的制造方法，其特征在于在陰極、陽極涂有導電催化顆粒的一側(cè)，均勻噴涂或浸潤一層全氟離子交換聚合物溶液，全氟離子交換聚合物含量為0.2～2毫克/平方厘米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電解水的復合膜電極的制造方法，屬于電化學技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括(1)在基體表面涂敷化合物溶液，形成第一層，并電沉積制成陽極耐腐基體；(2)將陰、陽極導電催化顆粒與離子聚合物溶液和粘接劑等制成懸濁液或膏狀物；(3)將陽極導電催化顆粒懸濁液涂敷在電沉積一側(cè)，形成陽極；(4)將陰極導電催化顆粒懸濁液涂敷在陰極基體的一側(cè)，形成陰極；(5)在陰極、陽極涂有導電催化顆粒的一側(cè)，噴或浸離子聚合物溶液，分別將陰、陽極有離子聚合物溶液的一側(cè)與質(zhì)子交換膜的一側(cè)接觸；(6)將該組合件熱壓，使導電催化顆粒嵌入導電透水基體、質(zhì)子交換膜中，形成復合膜電極。本發(fā)明的優(yōu)點是接觸電阻小、壽命長、成本低。
文檔編號C25B11/08GK1432664SQ02110569
公開日2003年7月30日 申請日期2002年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月17日
發(fā)明者胡晨輝 申請人:上海世競凈化科技有限公司