本發(fā)明屬于電解水膜電極的制備，特別是涉及一種低載量iro2電解水膜電極、制備方法及其應用。

背景技術：

1、質(zhì)子交換膜水電解(pemwe)由于其能量密度大、產(chǎn)氫純度高等優(yōu)越性吸引了大量研究人員的關注。在這其中，銥基材料作為高效的析氧反應(oer)電催化劑在質(zhì)子交換膜電解水(pemwe)領域中扮演著至關重要的作用。由于ir在地球上的儲量較為稀少，且價格昂貴，如果想大規(guī)模推廣pemwe的研究應用就必須要降低ir的用量，使其在低載量下仍然保持較高性能工作。

2、膜電極集合體(mea)又稱膜電極，是pemwe中的關鍵核心部件，是物質(zhì)傳遞、電化學反應發(fā)生的重要場所，且膜電極由里及外分別由質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴散層三部分組成。傳統(tǒng)方法是直接在質(zhì)子交換膜上噴涂催化劑(ccm)，制備的膜電極上催化層的載量較高(2～4mg?cm-2)，且由于催化層的顆粒堆積緊密，物質(zhì)傳輸效率較差，需要進一步優(yōu)化。通過增大膜電極的三相反應界面，從而提升催化劑利用率是降低貴金屬催化劑用量的有效方法之一。

3、因此，可控的構筑膜電極最大化的三相反應界面、擴大質(zhì)子交換膜/催化層界面和快速傳質(zhì)通道的總體設計是目前研究熱點與難點。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種低載量iro2電解水膜電極、制備方法及其應用，用于解決現(xiàn)有技術中催化劑利用率低，導致膜電極上催化劑的載量較高的問題，以及物質(zhì)在膜電極三相反應界面上傳輸效率差的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種低載量iro2電解水膜電極的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

3、s1、將二氧化銥和高聚物分散于混合溶液中，得到均一的紡絲前驅(qū)液；其中，所述混合溶液包括nafion溶液、水和異丙醇；

4、s2、將所述紡絲前驅(qū)液進行靜電紡絲，在接收裝置上得到iro2納米纖維層；

5、s3、將所述iro2納米纖維層熱壓轉(zhuǎn)印于nafion膜上，在所述nafion膜上形成陽極催化層；

6、s4、將陰極催化劑漿液噴涂于所述nafion膜遠離所述陽極催化層的一面，經(jīng)熱壓，在所述nafion膜的另一面形成陰極催化層，最終制備出低載量iro2電解水膜電極。

7、優(yōu)選地，步驟s1中所述高聚物包括聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮中的一種，且所述高聚物的粘均分子量為100000～1000000。

8、優(yōu)選地，步驟s1中所述二氧化銥、高聚物與nafion溶液之間的質(zhì)量比為(20～100)：(2～20)：(50～500)，在得到的所述紡絲前驅(qū)液中所述高聚物的質(zhì)量濃度為2wt％～10wt％。

9、優(yōu)選地，步驟s1中所述水與異丙醇的總質(zhì)量為所述二氧化銥的質(zhì)量的0～30倍，且所述水與所述異丙醇之間的質(zhì)量比為1:1。

10、優(yōu)選地，步驟s1中所述nafion溶液為質(zhì)量百分數(shù)為5wt％或20wt％的nafion溶液。

11、優(yōu)選地，步驟s2中所述靜電紡絲的工藝參數(shù)為：正電壓為4～20kv，負電壓為0～-3kv，環(huán)境溫度為15～25℃，相對濕度為35％～45％，溶液推進速度為0.01～0.3ml/h，注射器針頭與接收裝置之間的距離為10～20cm。

12、優(yōu)選地，步驟s2中所述接收裝置為平板、柵格或滾筒狀的接收裝置，且所述接收裝置上粘附有鋁箔或硅油紙。

13、優(yōu)選地，步驟s3中的所述nafion膜在轉(zhuǎn)印前需進行預處理，具體為，將nafion膜裁剪成所需尺寸，放置于3wt％～10wt％的過氧化氫溶液中加熱1h，然后用超純水洗滌，再放置于0.5mol/l的硫酸溶液中加熱1h，經(jīng)超純水洗滌后，得到純凈的nafion膜。

14、優(yōu)選地，步驟s3中所述熱壓轉(zhuǎn)印的溫度為130～140℃，所述熱壓轉(zhuǎn)印的壓力為1～3mpa，所述熱壓轉(zhuǎn)印的時間為2～5min。

15、優(yōu)選地，步驟s4中按照所述陰極催化劑漿液的組份計，所述陰極催化劑漿液包括1份pt/c催化劑、1～10份5wt％的nafion溶液、5～15份水和5～15份異丙醇。

16、優(yōu)選地，步驟s4中所述熱壓的溫度為130～140℃，所述熱壓的壓力為4～6mpa，所述熱壓的時間為1～3min。

17、優(yōu)選地，步驟s4中形成的所述陰極催化層在所述nafion膜上的載量為0.3～0.6mg/cm2。

18、優(yōu)選地，所述pt/c催化劑是由pt和c兩種物質(zhì)組成的，其中，在所述pt/c催化劑中，所述pt所占的質(zhì)量百分比為40wt％～60wt％。

19、本發(fā)明還提供一種低載量iro2電解水膜電極，所述膜電極為采用上述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法所制備而成的。

20、本發(fā)明還提供一種低載量iro2電解水膜電極的應用，所述膜電極應用于質(zhì)子交換膜水電解催化反應中，其中，所述膜電極為采用上述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法所制備而成的。

21、如上所述，本發(fā)明的低載量iro2電解水膜電極、制備方法及其應用，具有以下有益效果：

22、本發(fā)明采用靜電紡絲技術獲得均勻的纖維狀的iro2納米纖維層，且貴金屬催化劑位于纖維表面，不易發(fā)生團聚，從而在降低貴金屬催化劑載量的同時，提高了催化劑的利用率；況且，本發(fā)明采用nafion作為陽極催化層的纖維骨架，獲得均勻、連續(xù)的納米纖維三維網(wǎng)絡結(jié)構的iro2納米纖維層，將其熱壓轉(zhuǎn)印于nafion膜上形成陽極催化層，再于nafion膜的另一面噴涂陰極催化層，從而高效、直接構筑出具有高有序化程度、纖維直徑均勻可控且催化劑顆粒分布均勻的低載量iro2電解水膜電極；且該膜電極為納米纖維三維網(wǎng)絡結(jié)構，擴大了膜電極的三相界面，在電解水過程中增強了物質(zhì)傳輸，形成的連續(xù)質(zhì)子傳輸通道能有效提升質(zhì)子傳導，降低傳質(zhì)損失，所制備的低載量iro2電解水膜電極在質(zhì)子交換膜水電解催化反應中具有高活性。

技術特征：

1.一種低載量iro2電解水膜電極的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法，其特征在于：步驟s1中包括以下條件中的一項或組合：

3.根據(jù)權利要求1所述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法，其特征在于：步驟s2中所述靜電紡絲的工藝參數(shù)為：正電壓為4～20kv，負電壓為0～-3kv，環(huán)境溫度為15～25℃，相對濕度為35％～45％，溶液推進速度為0.01～0.3ml/h，注射器針頭與接收裝置之間的距離為10～20cm。

4.根據(jù)權利要求1所述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法，其特征在于：步驟s2中所述接收裝置為平板、柵格或滾筒狀的接收裝置，且所述接收裝置上粘附有鋁箔或硅油紙。

5.根據(jù)權利要求1所述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法，其特征在于：步驟s3中的所述nafion膜在轉(zhuǎn)印前需進行預處理，具體為，將nafion膜裁剪成所需尺寸，放置于3wt％～10wt％的過氧化氫溶液中加熱1h，然后用超純水洗滌，再放置于0.5mol/l的硫酸溶液中加熱1h，經(jīng)超純水洗滌后，得到純凈的nafion膜。

6.根據(jù)權利要求1所述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法，其特征在于：步驟s3中所述熱壓轉(zhuǎn)印的溫度為130～140℃，所述熱壓轉(zhuǎn)印的壓力為1～3mpa，所述熱壓轉(zhuǎn)印的時間為2～5min。

7.根據(jù)權利要求1所述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法，其特征在于：步驟s4中包括以下條件中的一項或組合：

8.根據(jù)權利要求6所述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法，其特征在于：所述pt/c催化劑是由pt和c兩種物質(zhì)組成的，其中，在所述pt/c催化劑中，所述pt所占的質(zhì)量百分比為40wt％～60wt％。

9.一種低載量iro2電解水膜電極，其特征在于：所述膜電極為采用權利要求1～8任一所述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法所制備而成的。

10.一種低載量iro2電解水膜電極的應用，其特征在于：所述膜電極應用于質(zhì)子交換膜水電解催化反應中，其中，所述膜電極為采用權利要求1～8任一所述的低載量iro2電解水膜電極的制備方法所制備而成的。

技術總結(jié)
本發(fā)明提供一種低載量IrO<subgt;2</subgt;電解水膜電極、制備方法及其應用，其制備方法包括：S1、將二氧化銥和高聚物分散于混合溶液中，得紡絲前驅(qū)液；混合溶液包括Nafion溶液、水和異丙醇；S2、將紡絲前驅(qū)液進行靜電紡絲，得到IrO<subgt;2</subgt;納米纖維層；S3、熱壓轉(zhuǎn)印于Nafion膜上，形成陽極催化層；S4、將陰極催化劑漿液噴涂于Nafion膜另一面，經(jīng)熱壓，形成陰極催化層，最終得低載量IrO<subgt;2</subgt;電解水膜電極。本發(fā)明構筑出具有高有序化程度、纖維直徑均勻可控且催化劑顆粒分布均勻的低載量IrO<subgt;2</subgt;電解水膜電極，在降低貴金屬催化劑載量的同時，提高了催化劑的利用率；且擴大了膜電極的三相界面，在水電解催化中具有高活性。

技術研發(fā)人員：程慶慶,耿茂林,楊輝,王國樑
受保護的技術使用者：中國科學院上海高等研究院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6